KR20230071054A - Method for preparing anode slurry, anode and secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 음극 슬러리 제조방법, 상기 방법에 따라 제조된 슬러리를 이용한 음극의 제조방법 및 상기 음극을 포함하는 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a negative electrode slurry, a method for preparing a negative electrode using the slurry prepared according to the above method, and a secondary battery including the negative electrode.
이차 전지는 제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지기 때문에, 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의해 구동하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라, 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 환경 친화적인 점 등으로 인해, 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.Secondary batteries are commonly applied to portable devices as well as electric vehicles or hybrid vehicles driven by an electrical driving source, power storage devices, etc. These secondary batteries not only have the primary advantage of dramatically reducing the use of fossil fuels, but also are environmentally friendly in that no by-products are generated due to the use of energy, so they are a new energy source for improving energy efficiency. is getting attention as
이에 따라, 이차전지에 대한 기술 개발이 지속적으로 확대되고 있다. 특히 실리콘계 음극활물질을 사용한 음극은 흑연계 음극활물질을 사용한 음극의 이론용량 372 mAh/g에 비하여 수배 더 큰 3580 mAh/g의 이론용량을 갖는 것으로 알려져 있다. 이로 인해, 실리콘계 음극활물질이 차세대 모바일, EV, ESS 등에 사용될 리튬 이차전지의 음극으로 크게 각광 받고 있다.Accordingly, technology development for secondary batteries is continuously expanding. In particular, it is known that a negative electrode using a silicon-based negative electrode active material has a theoretical capacity of 3580 mAh/g, which is several times larger than the theoretical capacity of 372 mAh/g of a negative electrode using a graphite-based negative electrode active material. For this reason, silicon-based negative electrode active materials are in the limelight as negative electrodes for lithium secondary batteries to be used in next-generation mobile devices, EVs, and ESSs.
다만, 실리콘계 음극활물질은 전도성이 낮고, 리튬과 반응 시, 즉, 전지의 충방전 시 심각한 부피 변화(~400%)를 수반하며, 이로 인해 음극활물질과 집전체, 또는 음극활물질 간의 탈리가 발생할 수 있는 단점이 있다. 이와 같은 실리콘 음극활물질의 부피팽창의 문제는 장시간 충방전 사이클이 진행됨에 따라 리튬 이차전지의 가역 용량의 손실을 유발하여 수명 특성을 저하시키는 등, 리튬 이차전지의 성능을 크게 저하시킬 수 있다. However, silicon-based anode active materials have low conductivity, and when they react with lithium, that is, during charging and discharging of the battery, they are accompanied by a significant volume change (~400%), which may cause separation between the anode active material and the current collector or the anode active material. There are downsides to that. The problem of volume expansion of the silicon negative electrode active material can cause a loss of reversible capacity of the lithium secondary battery as a long-term charge/discharge cycle progresses, thereby deteriorating the lifespan characteristics and greatly degrading the performance of the lithium secondary battery.
또한, 셀 설계시에는 충방전 중 리튬의 삽입 탈리에 따른 부피 팽창으로 인한 전지의 부피 변화의 정도를 고려해야 하므로, 단위 부피당 에너지 밀도를 크게 저하시킬 수 있다. In addition, since the degree of volume change of the battery due to volume expansion due to insertion and detachment of lithium during charging and discharging must be considered in designing the cell, the energy density per unit volume can be greatly reduced.
따라서 이러한 문제들로 인해, 실리콘계 음극을 포함하는 리튬 이차전지는 고용량을 갖는 장점에도 불구하고, 그 실용화에 어려움이 있다.Therefore, due to these problems, despite the advantage of having a high capacity, a lithium secondary battery including a silicon-based negative electrode has difficulties in practical use.
이에, 실리콘계 음극활물질을 포함하는 음극을 사용하면서도, 전도성이 개선되고, 충방전 시 실리콘계 음극활물질의 부피 팽창으로 인한 성능의 저하가 개선되어, 고용량 및 우수한 수명특성을 갖는 리튬 이차전지의 개발이 필요하다.Therefore, it is necessary to develop a lithium secondary battery having high capacity and excellent lifespan characteristics by improving conductivity and improving performance degradation due to volume expansion of the silicon-based negative electrode active material during charging and discharging while using an anode including a silicon-based negative electrode active material. do.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 전도성이 향상되고, 충방전 시 실리콘계 음극활물질의 부피 팽창으로 인한 열화 문제를 개선할 수 있는 음극 슬러리 제조방법, 상기 방법에 따라 제조된 음극 슬러리를 이용한 음극 및 상기 음극을 포함하는 이차전지를 제공하고자 한다. The present invention is to solve the above problems, a method for producing a negative electrode slurry capable of improving conductivity and improving the deterioration problem due to volume expansion of a silicon-based negative electrode active material during charging and discharging, and the negative electrode slurry prepared according to the method It is intended to provide a negative electrode and a secondary battery including the negative electrode.
본 발명은 음극 슬러리의 제조방법을 제공하고자 하는 것으로서, 상기 방법은 실리콘계 제1 음극활물질, 도전제 및 바인더를 포함하는 제1 슬러리를 제조하는 단계; 및 상기 제1 슬러리에 탄소계 제2 음극활물질 및 증점제를 혼합하여 제2 슬러리를 제조하는 단계를 포함한다.The present invention is to provide a method for producing a negative electrode slurry, the method comprising the steps of preparing a first slurry containing a silicon-based first negative electrode active material, a conductive agent and a binder; and preparing a second slurry by mixing the first slurry with a second carbon-based negative electrode active material and a thickener.
상기 도전제는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.The conductive agent may be at least one selected from the group consisting of single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, and multi-walled carbon nanotubes.
상기 바인더는 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴로나이트릴-부타디엔 러버, 아크릴 고무, 부틸 고무, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 폴리에피클로로히드린, 폴리포스파젠, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체, 폴리비닐피리딘, 클로로설폰화 폴리에틸렌, 라텍스, 폴리에스테르수지, 아크릴수지, 페놀수지, 에폭시수지, 폴리비닐알코올 수지, 아크릴레이트계 수지, 폴리아닐린(polyaniline, PANI), 폴리티오펜(polythiophene, PT), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole, PPy) 및 PEDOT(poly(3,4-ethylene dioxythiophene)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 1종을 포함할 수 있다. The binder is styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, acrylic rubber, butyl rubber, ethylene-propylene copolymer, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polyacrylonitrile , polystyrene, ethylene-propylene-diene copolymer, polyvinylpyridine, chlorosulfonated polyethylene, latex, polyester resin, acrylic resin, phenol resin, epoxy resin, polyvinyl alcohol resin, acrylate resin, polyaniline (PANI) ), polythiophene (PT), polyacetylene, polypyrrole (PPy), and poly(3,4-ethylene dioxythiophene) (PEDOT).
상기 증점제는 카르복시메틸셀룰로오스(carboxy methyl cellulose, CMC), 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose, MC), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose, HPC), 메틸 하이드록시프로필 셀룰로오스(methyl hydroxypropyl cellulose, MHPC), 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오스(ethyl hydroxyethyl cellulose, EHEC), 메틸 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오스(methyl ethyl hydroxyethyl cellulose, MEHEC) 및 셀룰로오스 검(cellulose gum)으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.The thickener is carboxymethyl cellulose (CMC), methyl cellulose (MC), hydroxypropyl cellulose (HPC), methyl hydroxypropyl cellulose (MHPC), ethyl hydroxy It may be at least one selected from the group consisting of ethyl cellulose (ethyl hydroxyethyl cellulose, EHEC), methyl ethyl hydroxyethyl cellulose (MEHEC), and cellulose gum.
상기 제1 슬러리는 증점제를 더 포함할 수 있다.The first slurry may further include a thickening agent.
상기 제1 슬러리는 인라인 믹서에서 제조될 수 있다.The first slurry may be prepared in an inline mixer.
상기 제2 슬러리는 PD 믹서에서 제조될 수 있다.The second slurry may be prepared in a PD mixer.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제조방법에 따라 제조된 음극 슬러리를 음극 집전체의 적어도 일면에 도포하는 단계; 및 상기 음극 슬러리가 도포된 음극 집전체를 건조하는 단계를 포함하는 음극의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, applying the negative electrode slurry prepared according to the manufacturing method to at least one surface of the negative electrode current collector; and drying the negative electrode current collector coated with the negative electrode slurry.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 방법에 따라 제조된 음극; 양극; 및 상기 음극과 양극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 이차전지가 제공된다.According to another aspect of the present invention, a negative electrode prepared according to the method; anode; and a separator interposed between the negative electrode and the positive electrode.
본 발명에 따르면, 실리콘계 음극활물질 및 도전제를 먼저 혼합하여 슬러리를 제조함으로써 상기 실리콘계 음극활물질의 주변에 도전제를 다량 배치시킬 수 있으며, 이후에 탄소계 음극활물질이 상기 슬러리에 혼입되더라도 실리콘계 음극활물질 주변의 도전제의 분포를 유지시킬 수 있어 실리콘 음극활물질의 도전성을 향상시킬 수 있다. According to the present invention, by preparing a slurry by first mixing a silicon-based negative electrode active material and a conductive agent, a large amount of conductive agent can be disposed around the silicon-based negative electrode active material, and then, even if the carbon-based negative electrode active material is mixed into the slurry, the silicon-based negative electrode active material It is possible to maintain the distribution of the conductive agent around the silicon negative electrode active material to improve the conductivity.
도 1은 제1 슬러러 제조에 사용되는 인라인 믹서(In-line mixer)의 예를 나타낸 사진이다.
도 2는 제2 슬러러 제조에 사용되는 PD 믹서(PD mixer) 의 예를 나타낸 사진이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1의 전극에 대하여 사이클 수에 따른 용량 및 저항의 변화를 나타낸 그래프이다.1 is a photograph showing an example of an in-line mixer used for preparing a first slurry.
2 is a photograph showing an example of a PD mixer used for preparing the second slurry.
3 is a graph showing changes in capacity and resistance according to the number of cycles for the electrodes of Example 1 and Comparative Example 1.
이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to various examples. However, the embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.
실리콘계 음극활물질은 도전성이 낮은 특성을 갖는데, 이러한 낮은 도전성을 보완하기 위해 실리콘계 음극활물질의 입자 크기를 작게 하거나, 표면에 탄소를 코팅하여 사용하기도 한다. 또한, 실리콘계 음극활물질은 전지의 충방전에 따른 리튬과 반응 시, 흑연계 재료에 비해 팽창율이 크므로, 이를 보완하기 위해 다양한 도전제를 사용하고 있다. The silicon-based negative electrode active material has a characteristic of low conductivity. In order to compensate for such low conductivity, the particle size of the silicon-based negative electrode active material is reduced or the surface is coated with carbon. In addition, since the silicon-based negative electrode active material has a higher expansion rate than the graphite-based material when reacting with lithium according to charging and discharging of the battery, various conductive agents are used to compensate for this.
한편, 실리콘계 음극활물질을 포함하는 음극 슬러리를 제조함에 있어서 상기 실리콘계 음극활물질 및 탄소계 음극활물질의 블렌딩(blending)은 실리콘계 음극활물질 및 탄소계 음극활물질을 동시에 투입한 후 도전제, 증점제 및 용매를 추가하여 고형분 함량 60 내지 70% 수준에서 혼합을 진행하고, 이후에, 증점제를 추가로 투입하고, 용매를 투입함으로써 고형분 함량을 낮추어 추가 혼합을 진행한 후, 예를 들어, 바인더를 최종적으로 투입한 후 혼합함으로써 마무리하게 된다. On the other hand, in preparing a negative electrode slurry containing a silicon-based negative electrode active material, blending of the silicon-based negative electrode active material and the carbon-based negative electrode active material is performed by simultaneously introducing the silicon-based negative electrode active material and the carbon-based negative electrode active material, and then adding a conductive agent, a thickener, and a solvent to proceed with mixing at a solid content level of 60 to 70%, and then additionally add a thickener and lower the solids content by adding a solvent to proceed with additional mixing, for example, after finally adding a binder It is finished by mixing.
그러나, 소량으로 투입되는 도전제는 실리콘계 음극활물질 및 탄소계 음극활물질 전체에 고르게 분포되기 때문에 실리콘계 음극활물질에 연결되는 도전제의 함량이 적어 실리콘계 음극활물질의 도전성 개선과 팽창률 감소의 효과가 미미하다. 이 경우, 실리콘계 음극활물질의 낮은 도전성으로 인해, 충전 레이트(rate)가 커질수록 탄소계 음극활물질에 큰 부하가 걸리고, 실리콘계 음극활물질 입자 중에는 충전이 되지 않는 입자가 생기게 되는 문제가 발생한다.However, since the conductive agent introduced in a small amount is evenly distributed throughout the silicon-based negative electrode active material and the carbon-based negative electrode active material, the effect of improving the conductivity and reducing the expansion rate of the silicon-based negative electrode active material is insignificant because the content of the conductive agent connected to the silicon-based negative electrode active material is small. In this case, due to the low conductivity of the silicon-based negative electrode active material, a large load is applied to the carbon-based negative electrode active material as the charging rate increases, and a problem occurs in that particles that are not charged are generated among the particles of the silicon-based negative electrode active material.
이에, 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하고자 하는 것으로서, 실리콘계 음극 활물질을 포함하는 음극 슬러리의 개선된 제조방법을 제공한다. Accordingly, the present invention is intended to solve the above problems, and provides an improved method for preparing a negative electrode slurry containing a silicon-based negative electrode active material.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 음극활물질, 도전제 및 바인더를 포함하는 제1 슬러리를 제조하는 단계; 및 상기 제1 슬러리에 제2 음극활물질 및 증점제를 투입하고 혼합하여 제2 슬러리를 제조하는 단계를 포함하는 음극 슬러리의 제조방법을 제공한다.According to one aspect of the present invention, preparing a first slurry containing a first negative electrode active material, a conductive agent and a binder; and preparing a second slurry by adding and mixing a second negative electrode active material and a thickener into the first slurry.
먼저, 제1 음극활물질, 도전제 및 바인더를 포함하는 제1 슬러리를 제조하는 단계가 수행된다. First, a step of preparing a first slurry including a first negative electrode active material, a conductive agent, and a binder is performed.
상기 제1 음극활물질은 실리콘을 포함하는 실리콘계 음극활물질로서, 특별하게 한정하는 것은 아니지만, Si, SiO와 같은 SiOx(0<x<2) 입자, Si-C 복합체, Si-Q 합금일 수 있다. 상기 Si-Q 합금에서, Q는 Si 이외의 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이금속, 13족 원소, 14족 원소, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소일 수 있으며, 구체적으로, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The first anode active material is a silicon-based anode active material containing silicon, but is not particularly limited, and may be SiOx (0<x<2) particles such as Si or SiO, Si—C composites, or Si—Q alloys. In the Si—Q alloy, Q may be an element selected from the group consisting of alkali metals other than Si, alkaline earth metals, transition metals, group 13 elements, group 14 elements, rare earth elements, and combinations thereof, and specifically, Mg , Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os , Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po , And may be selected from the group consisting of combinations thereof.
상기 도전제는 실리콘계 음극활물질에 대하여 도전성을 부여하기 위해 사용되는 물질로서, 탄소나노튜브를 사용할 수 있으며, 특별하게 한정하는 것은 아니나. 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. The conductive agent is a material used to impart conductivity to the silicon-based negative electrode active material, and carbon nanotubes may be used, but is not particularly limited. At least one selected from the group consisting of single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, and multi-walled carbon nanotubes may be used.
이와 같이, 본 발명은 실리콘계 제1 음극활물질, 도전제를 미리 혼합하여 제1 슬러리를 제조한 후에, 흑연과 같은 탄소계 제2 음극활물질을 추가로 투입하여 제2 슬러리를 제조함으로써 음극 슬러리를 제조한다. As described above, the present invention prepares a negative electrode slurry by preparing a first slurry by mixing a silicon-based first negative electrode active material and a conductive agent in advance, and then adding a second carbon-based negative electrode active material such as graphite to prepare a second slurry do.
상기 실리콘계 제1 음극활물질과 도전제를 먼저 혼합하여 제1 슬러리를 제조하는 경우, 상기 도전제가 실리콘계 제1 음극활물질의 주변에 다량 분포하여 실리콘계 제1 음극활물질과 도전제와의 접촉성을 개선할 수 있다. 이와 같이 도전제가 실리콘계 제1 음극활물질의 주변에 분포함으로써 실리콘계 제1 음극활물질의 낮은 도전성을 향상시키는데 기여할 수 있다. 나아가, 실리콘계 제1 음극활물질 주변에 분포하는 도전제는 이후 제2 음극활물질인 탄소계 음극활물질을 투입하여 제2 슬러리를 제조하더라도 실리콘계 제1 음극활물질 주변에 존재하는 도전제의 함량이 높게 유지할 수 있다. When the first slurry is prepared by mixing the silicon-based first negative electrode active material and the conductive agent first, the conductive agent is distributed in a large amount around the silicon-based first negative electrode active material to improve the contact between the silicon-based first negative electrode active material and the conductive agent. can In this way, by distributing the conductive agent around the silicon-based first negative electrode active material, it may contribute to improving the low conductivity of the silicon-based first negative electrode active material. Furthermore, even if the conductive agent distributed around the silicon-based first negative electrode active material is subsequently added to the second negative electrode active material, the carbon-based negative electrode active material to prepare the second slurry, the content of the conductive agent present around the silicon-based first negative electrode active material can be maintained high. there is.
이와 같이 실리콘계 제1 음극활물질 표면에 도전제가 다량 존재함으로써 실리콘계 제1 음극활물질의 부족한 도전성을 개선하는 효과를 확보할 수 있다. 나아가, 실리콘계 제1 음극활물질이 충방전 과정에서 부피팽창이 일어나는 경우에 도전제에 의해 부피팽창으로 인한 음극활물질간 또는 음극활물질과 음극집전체간의 탈리를 방지할 수 있으며, 부피팽창으로 인해 음극활물질 간의 접촉을 유지할 수 있어 내부 저항을 감소시킬 수 있다. In this way, since a large amount of the conductive agent is present on the surface of the silicon-based first negative electrode active material, an effect of improving insufficient conductivity of the silicon-based first negative electrode active material may be secured. Furthermore, when the volume expansion of the silicon-based first negative electrode active material occurs during charging and discharging, the conductive agent can prevent separation between the negative electrode active materials or between the negative electrode active material and the negative electrode current collector due to the volume expansion, and the negative electrode active material due to the volume expansion. It is possible to maintain contact between the two layers, thereby reducing internal resistance.
상기 제1 슬러리를 제조함에 있어서는 바인더를 포함할 수 있다. 상기 바인더는 통상적으로 음극을 제조하는데 사용되는 바인더를 들 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴로나이트릴-부타디엔 러버, 아크릴 고무, 부틸 고무, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 폴리에피클로로히드린, 폴리포스파젠, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체, 폴리비닐피리딘, 클로로설폰화 폴리에틸렌, 라텍스, 폴리에스테르수지, 아크릴수지, 페놀수지, 에폭시수지, 폴리비닐알코올 수지 및 아크릴레이트계 수지를 들 수 있다. In preparing the first slurry, a binder may be included. The binder may include binders commonly used in preparing negative electrodes, but are not limited thereto, and examples thereof include styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, and acrylic rubber. , butyl rubber, ethylene-propylene copolymer, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polyacrylonitrile, polystyrene, ethylene-propylene-diene copolymer, polyvinylpyridine, chlorosulfonated polyethylene, latex, polyester resin, Acrylic resins, phenol resins, epoxy resins, polyvinyl alcohol resins, and acrylate-based resins are exemplified.
일반적으로 음극활물질은 입자 형태를 가지며, 상기와 같은 바인더에 의해 상기 음극활물질이 집전체에 고정되고, 음극활물질 입자간이 접촉하게 된다. 이때, 상기 바인더에 의해 고정된 음극활물질 입자들은 점 접촉(point contact)에 의하여 음극활물질 입자 상호간 및 음극활물질과 집전체 간에 전기적으로 연결되므로, 음극활물질 입자 간에 또는 음극활물질과 음극 집전체 간의 접촉의 정도가 낮거나 접촉 면적이 적은 경우에는 전지의 내부 저항이 큰 값을 갖게 된다. 또한, 접촉에 의해 연결되지 못한 고립된 음극활물질 입자는 전지 용량에 기여하지 못하게 된다. 따라서 음극활물질 입자들 간에 넓은 접촉 면적을 유지하는 것이 전지의 특성을 개선하는데 기여할 수 있다. In general, the anode active material has a particle shape, and the anode active material is fixed to a current collector by the binder as described above, and particles of the anode active material come into contact with each other. At this time, since the negative electrode active material particles fixed by the binder are electrically connected between the negative electrode active material particles and between the negative electrode active material and the current collector by point contact, the contact between the negative electrode active material particles or between the negative electrode active material and the negative electrode current collector When the degree is low or the contact area is small, the internal resistance of the battery has a large value. In addition, isolated negative electrode active material particles that are not connected by contact do not contribute to battery capacity. Therefore, maintaining a large contact area between negative electrode active material particles can contribute to improving battery characteristics.
한편, 전지의 충전과 방전시 전지 내부의 음극과 양극에서는 전지 반응이 일어나는데, 이러한 전지 반응이 일어나는 경우, 음극활물질 입자 구조 내부로 리튬 이온이 삽입 또는 방출되며, 리튬 이온의 삽입 방출로 인하여 음극활물질 입자가 팽창 및 수축하는 현상을 보인다. 따라서 충방전의 진행에 따라 활물질 입자들간의 점접촉에 의한 전기적인 연결 상태가 불안정해질 수 있다. On the other hand, during charging and discharging of the battery, a battery reaction occurs between the negative electrode and the positive electrode inside the battery. When this battery reaction occurs, lithium ions are inserted or released into the particle structure of the negative electrode active material, and lithium ions are intercalated and released from the negative electrode active material. The particle expands and contracts. Therefore, as charging and discharging progresses, an electrical connection state due to point contact between active material particles may become unstable.
따라서, 바인더로 상기한 바와 같은 통상적으로 사용되는 바인더를 사용할 수 있으며, 또한, 상기 통상적인 바인더와 함께, 또는 상기 통상적인 바인더를 대신하여 전도성 고분자를 바인더로 사용할 수 있다. Therefore, the above-described commonly used binders may be used as the binder, and a conductive polymer may be used as the binder together with or instead of the conventional binders.
상기 전도성 고분자를 바인더로 사용하면, 실리콘계 음극활물질의 수축 및 팽창에 따라 나타나는 음극활물질 입자 간의 점접촉이 일어나더라도 전도성 고분자에 의해 접촉 불량을 개선할 수 있고, 나아가, 내부 저항 증가 등의 문제를 개선하는데 기여할 수 있다. When the conductive polymer is used as a binder, contact defects can be improved by the conductive polymer even if point contact between negative electrode active material particles occurs due to contraction and expansion of the silicon-based negative electrode active material, and furthermore, problems such as increased internal resistance can be improved. can contribute to
상기 전도성 고분자는 이에 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 폴리아닐린(polyaniline, PANI), 폴리티오펜(polythiophene, PT), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole, PPy) 및 PEDOT(poly(3,4-ethylene dioxythiophene))을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나를 단독으로 사용하거나, 2 종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 전도성 고분자로는 폴리아닐린일 수 있다. The conductive polymer is not limited thereto, but, for example, polyaniline (PANI), polythiophene (PT), polyacetylene, polypyrrole (PPy) and PEDOT (poly(3,4 -ethylene dioxythiophene)), and any one of these may be used alone or in combination of two or more. More specifically, the conductive polymer may be polyaniline.
상기 제1 슬러리는 증점제를 또한 포함할 수 있다. 상기 증점제는 슬러리에 점성을 부여하기 위해 투입되는 것으로서, 특별하게 한정하는 것은 아니지만, 셀룰로오스계 화합물을 들 수 있다. 상기 셀룰로오스 화합물로는 이에 한정하는 것은 아니지만, 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose, MC), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose, HPC), 메틸 하이드록시프로필 셀룰로오스(methyl hydroxypropyl cellulose, MHPC), 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오스(ethyl hydroxyethyl cellulose, EHEC), 메틸 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오스(methyl ethyl hydroxyethyl cellulose, MEHEC), 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxy methyl cellulose, CMC), 및 셀룰로오스 검(cellulose gum)으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 예를 들어, 카르복시메틸셀룰로오스를 사용할 수 있다. The first slurry may also include a thickening agent. The thickener is added to impart viscosity to the slurry, and although not particularly limited, cellulose-based compounds may be used. The cellulose compound is not limited thereto, but methyl cellulose (MC), hydroxypropyl cellulose (HPC), methyl hydroxypropyl cellulose (MHPC), ethyl hydroxyethyl cellulose ( It may be at least one selected from the group consisting of ethyl hydroxyethyl cellulose (EHEC), methyl ethyl hydroxyethyl cellulose (MEHEC), carboxy methyl cellulose (CMC), and cellulose gum. And, for example, carboxymethyl cellulose can be used.
상기 제1 음극활물질, 도전제 및 바인더를 혼합하여 제1 슬러리를 제조함에 있어서는 믹서를 사용할 수 있다. 상기 제1 슬러리의 혼합에 사용되는 믹서로는 통상적으로 2 이상의 성분을 혼합하는데 사용되는 것으로서, 소량의 슬러리를 믹싱하는데 사용할 수 있는 설비라면 특별히 제한없이 사용할 수 있다. A mixer may be used to prepare the first slurry by mixing the first negative electrode active material, the conductive agent, and the binder. The mixer used for mixing the first slurry is generally used for mixing two or more components, and any equipment that can be used for mixing a small amount of slurry may be used without particular limitation.
예를 들면, 상기 믹서로는 인라인 믹서를 사용하여 제1 슬러리를 제조할 수 있으며, 상기 인라인 믹서는, 도 1에 예시되며, 고속으로 회전하는 회전자(rotator), 고정자(stator) 및 회전자 블레이드(blade shaft)를 포함하는 소용량의 믹서로서 상기 제1 슬러리를 제조함에 있어서 적합하게 사용할 수 있다. For example, the first slurry can be prepared using an in-line mixer as the mixer, and the in-line mixer is illustrated in FIG. 1 and includes a rotator, a stator, and a rotor rotating at high speed A small-capacity mixer including a blade shaft can be suitably used in preparing the first slurry.
또한, 통상 전극 슬러리의 제조에 사용되는 PD 믹서(Planetary Disperser Mixer)를 사용할 수도 있다. 상기 PD 믹서는 대용량의 슬러리를 혼합하는데 통상 사용되는 것으로서, 도 2에 예시한 바와 같으며, 상기 제1 슬러리를 혼합하는데 사용할 수 있다. In addition, a PD mixer (Planetary Disperser Mixer), which is usually used for producing electrode slurry, may be used. The PD mixer is commonly used for mixing large-capacity slurries, as illustrated in FIG. 2, and may be used for mixing the first slurry.
본 발명에 있어서 상기 실리콘계 제1 음극활물질, 도전제 및 바인더는 음극 슬러리 전체 중량에 대하여 상대적으로 소량 포함된다. 이와 같이 소량 포함되는 성분들의 혼합에는 소용량의 인라인 믹서를 사용하는 것이 보다 효율적일 수 있다. In the present invention, the silicon-based first negative electrode active material, the conductive agent, and the binder are included in relatively small amounts with respect to the total weight of the negative electrode slurry. It may be more efficient to use a small-capacity in-line mixer to mix the components included in such a small amount.
상기 제1 슬러리를 제조한 한 후에 제2 음극활물질과 혼합하여 제2 슬러리를 제조하는 단계를 포함한다. and preparing a second slurry by mixing the first slurry with a second negative electrode active material after preparing the first slurry.
상기 제2 음극활물질은 탄소계 음극활물질일 수 있다. 상기 탄소계 음극활물질로는 특별하게 한정하는 것은 아니나, 흑연을 들 수 있으며, 예를 들어, 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 메조카본마이크로비드를 들 수 있다. 이들 흑연은 어느 하나를 단독으로 사용할 수 있음은 물론, 2 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는 인조흑연 또는 인조흑연과 천연흑연을 혼합하여 사용할 수 있다. The second anode active material may be a carbon-based anode active material. The carbon-based negative electrode active material is not particularly limited, but may include graphite, for example, artificial graphite, natural graphite, and graphitized mesocarbon microbeads. These graphites can be used alone or in combination of two or more. More specifically, artificial graphite or a mixture of artificial graphite and natural graphite may be used.
상기 실리콘계 제1 음극활물질과 탄소계 제2 음극활물질을 동시에 포함함으로써 실리콘계 제1 음극활물질에 의한 전지의 용량을 개선하면서 음극의 충·방전 과정에서 발생할 수 있는 음극활물질의 부피 변화로 인한 부작용을 억제하여 음극의 수명을 개선할 수 있다. By including the silicon-based first negative electrode active material and the carbon-based second negative electrode active material at the same time, the capacity of the battery using the silicon-based first negative electrode active material is improved while suppressing side effects due to volume change of the negative electrode active material that may occur during the charging and discharging process of the negative electrode. Thus, the lifetime of the cathode can be improved.
필요에 따라서는 상기 탄소계 제2 음극활물질 이외에 추가의 음극활물질을 더 혼합할 수 있으며, 예를 들어, 상기 추가의 음극활물질은 주석(Sn)계 음극활물질 또는 리튬 바나듐 산화물 음극활물질을 들 수 있다. If necessary, additional anode active materials may be further mixed in addition to the carbon-based second anode active material. For example, the additional anode active material may include a tin (Sn)-based anode active material or a lithium vanadium oxide anode active material. .
상기 Sn계 음극활물질은 Sn, SnO2, Sn-R 합금일 수 있다. 상기 Sn-R 합금에 있어서, R은, Sn 및 Si 이외의, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소일 수 있으며, 구체적으로, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. The Sn-based negative electrode active material may be Sn, SnO 2 , or a Sn-R alloy. In the Sn-R alloy, R is composed of alkali metals, alkaline earth metals, group 13 elements, group 14 elements, group 15 elements, group 16 elements, transition metals, rare earth elements, and combinations thereof other than Sn and Si. It may be an element selected from the group, specifically, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Tl, Ge, P, As, It may be selected from the group consisting of Sb, Bi, S, Se, Te, Po, and combinations thereof.
상기 제2 슬러리를 제조함에 있어서, 상기 탄소계 제2 음극활물질과 함께 증점제를 또한 제1 슬러리에 투입할 수 있다. In preparing the second slurry, a thickener may also be added to the first slurry together with the carbon-based second negative electrode active material.
상기 증점제는 슬러리에 점성을 부여하기 위해 투입되는 것으로서, 특별하게 한정하는 것은 아니지만, 셀룰로오스계 화합물을 들 수 있다. 상기 셀룰로오스 화합물로는 이에 한정하는 것은 아니지만, 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose, MC), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose, HPC), 메틸 하이드록시프로필 셀룰로오스(methyl hydroxypropyl cellulose, MHPC), 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오스(ethyl hydroxyethyl cellulose, EHEC), 메틸 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오스(methyl ethyl hydroxyethyl cellulose, MEHEC), 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxy methyl cellulose, CMC), 및 셀룰로오스 검(cellulose gum)으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 예를 들어, 카르복시메틸셀룰로오스를 사용할 수 있다. The thickener is added to impart viscosity to the slurry, and although not particularly limited, cellulose-based compounds may be used. The cellulose compound is not limited thereto, but methyl cellulose (MC), hydroxypropyl cellulose (HPC), methyl hydroxypropyl cellulose (MHPC), ethyl hydroxyethyl cellulose ( It may be at least one selected from the group consisting of ethyl hydroxyethyl cellulose (EHEC), methyl ethyl hydroxyethyl cellulose (MEHEC), carboxy methyl cellulose (CMC), and cellulose gum. And, for example, carboxymethyl cellulose can be used.
상기 제2 슬러리를 제조함에 있어서는 상기 인라인 믹서를 사용할 수 있고, 또, PD 믹서를 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는 PD 믹서를 사용할 수 있다. 상기 PD 믹서는 분체와 용제를 혼합하는 일련의 혼합기로서, 블레이드의 유성 운동에 의한 혼합 효과와 고속 전단 날개의 분산 효과에 의한 덩어리(응집체)를 분쇄하는 작용을 제공할 수 있으며, 대용량의 혼합에 적용하기에 보다 적합하다.In manufacturing the said 2nd slurry, the said in-line mixer can be used, Moreover, a PD mixer can be used. More specifically, a PD mixer can be used. The PD mixer is a series of mixers for mixing powder and solvent, and can provide a mixing effect by planetary motion of blades and an action of crushing agglomerates (aggregates) by dispersing effect of high-speed shear blades, and can be used for large-capacity mixing. more suitable for application.
예를 들어, 본 발명에 있어서, 상대적으로 적은 용량인 제1 슬러리를 제조함에 있어서는 인라인 믹서를 사용하고, 대용량인 제2 슬러리를 제조함에 있어서는 PD믹서를 적용할 수 있다. 이와 같이, 인라인 믹서를 이용하여 제1 슬러리를 제조함으로써, 기존에 전극 슬러리의 제조에 사용되던 PD 믹서의 설비를 교체할 필요 없이, 인라인 믹서를 부가하는 것만으로 슬러리를 제조할 수 있어, 공정성 및 경제성을 보다 향상시킬 수 있다.For example, in the present invention, an in-line mixer may be used to prepare a first slurry having a relatively small capacity, and a PD mixer may be used to prepare a second slurry having a large capacity. In this way, by preparing the first slurry using the in-line mixer, the slurry can be prepared only by adding an in-line mixer without the need to replace the equipment of the PD mixer previously used for the production of the electrode slurry, thereby improving fairness and Economic efficiency can be further improved.
이에 의해 실리콘계 제1 음극활물질, 탄소계 제2 음극활물질을 포함하는 음극활물질, 도전제, 도전성 고분자 및 증점제를 포함하는 음극슬러리를 제조할 수 있다.As a result, an anode slurry including a negative electrode active material including a silicon-based first negative electrode active material and a carbon-based second negative electrode active material, a conductive agent, a conductive polymer, and a thickener can be prepared.
이에 한정하는 것은 아니지만, 상기 음극슬러리에 포함되는 고형분 전체 중량을 기준으로, 상기 음극활물질은 93 내지 98중량%의 함량으로 포함할 수 있다. 나아가, 상기 실리콘계 제1 음극활물질과 탄소계 제2 음극활물질은 음극활물질 전체 중량에 대하여 1% 내지 30% : 99% 내지 70%의 중량비를 가질 수 있다. Although not limited thereto, based on the total weight of solids contained in the negative electrode slurry, the negative electrode active material may be included in an amount of 93 to 98% by weight. Furthermore, the silicon-based first negative electrode active material and the carbon-based second negative active material may have a weight ratio of 1% to 30%: 99% to 70% with respect to the total weight of the negative electrode active material.
상기 음극슬러리에 포함되는 도전제는 음극 슬러리의 고형분 전체 중량에 대하여 0.1 내지 3중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 도전제의 함량이 0.1중량% 미만인 경우 실리콘계 제1 음극활물질의 도전성을 개선하고, 또 실리콘계 제1 음극활물질의 부피 팽창으로 인한 탈리 등의 문제를 개선하는데 부족할 수 있고, 3중량%를 초과하는 경우에는 다량의 바인더가 필요하여 용량 저하를 초래할 수 있다. The conductive agent included in the negative electrode slurry may be included in an amount of 0.1 to 3% by weight based on the total weight of the solid content of the negative electrode slurry. If the content of the conductive agent is less than 0.1% by weight, it may be insufficient to improve the conductivity of the silicon-based first negative electrode active material and to improve problems such as detachment due to volume expansion of the silicon-based first negative electrode active material, and exceed 3% by weight In this case, a large amount of binder may be required, resulting in a decrease in capacity.
상기 도전성 고분자는 음극 슬러리의 고형분 전체 중량에 대하여 1 내지 3중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 도전성 고분자는 바인더로서 제공되는 것으로서 함량이 1중량% 미만인 경우에는 음극활물질간 또는 음극활물질과 음극집전체 간의 결착력을 충분히 제공하기 어려우며, 나아가 실리콘계 제1 음극활물질의 낮은 도전성을 개선하는 효과가 적을 수 있다. 한편, 상기 도전성 고분자가 3중량%를 초과하면 상대적으로 음극활물질의 함량 감소를 초래하여 전극용량 저하를 초래할 수 있다. The conductive polymer may be included in an amount of 1 to 3% by weight based on the total weight of the solid content of the negative electrode slurry. The conductive polymer is provided as a binder, and when the content thereof is less than 1% by weight, it is difficult to sufficiently provide binding force between the negative electrode active materials or between the negative electrode active material and the negative electrode current collector, and furthermore, the effect of improving the low conductivity of the first silicon-based negative electrode active material is small. can On the other hand, when the amount of the conductive polymer exceeds 3% by weight, the content of the negative electrode active material may be relatively decreased, resulting in a decrease in electrode capacity.
상기 증점제는 음극 슬러리의 고형분 전체 중량에 대하여 0.1 내지 3중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 증점제는 슬러리의 점도를 조절하여 음극슬러리를 음극집전체 표면에 도포함에 있어서 작업성을 개선하는데 기여하는 것으로서 증점제의 함량이 0.1중량% 미만인 경우에는 슬러리의 점도가 지나치게 낮아 슬러리가 흘러내려 작업성을 저하시킬 수 있는 한편, 증점제의 함량이 3중량%를 초과하는 겨웅에는 슬러리의 점도가 지나치게 높아 오히려 전극집전체 표면에 대한 슬러리의 도포성을 저해할 수 있다. The thickener may be included in an amount of 0.1 to 3% by weight based on the total weight of the solid content of the negative electrode slurry. The thickener contributes to improving workability in applying the negative electrode slurry to the surface of the negative electrode current collector by adjusting the viscosity of the slurry. On the other hand, when the content of the thickener exceeds 3% by weight, the viscosity of the slurry is too high, which may rather inhibit the coating property of the slurry on the surface of the electrode current collector.
상기 음극 슬러리는 용매를 포함한다. 상기 용매는 물과 같은 수성 용매를 사용할 수 있다. 상기 음극 슬러리에 포함되는 용매의 함량은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 전체 음극 슬러리 중 용매의 함량은 30 내지 80중량%일 수 있다. 상기 용매의 함량이 30중량% 미만이면 슬러리 혼합 공정 중 높은 부하를 야기하여 혼합 공정의 수율이 저하할 수 있으며, 80중량%를 초과하면 점도가 낮아 코팅 공정의 수율이 낮아질 수 있다.The cathode slurry includes a solvent. As the solvent, an aqueous solvent such as water may be used. The amount of the solvent included in the anode slurry is not particularly limited, but, for example, the content of the solvent in the entire anode slurry may be 30 to 80% by weight. If the content of the solvent is less than 30% by weight, a high load may be caused during the slurry mixing process, resulting in a decrease in the yield of the mixing process, and if it exceeds 80% by weight, the yield of the coating process may be reduced due to low viscosity.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기와 같이 제조된 음극 슬러리를 음극 집전체의 적어도 일면에 도포하는 단계; 및 상기 음극 슬러리가 도포된 음극 집전체를 건조하는 단계를 포함하는 음극의 제조방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, applying the negative electrode slurry prepared as described above to at least one surface of the negative electrode current collector; and drying the negative electrode current collector coated with the negative electrode slurry.
상기 음극 집전체는, 해당 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 알루미늄-카드뮴 합금 등을 들 수 있다. 또한 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리된 구리 또는 스테인리스 스틸 등을 음극 집전체로 사용할 수 있다. The anode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery. For example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, aluminum-cadmium alloy, etc. can be heard In addition, copper or stainless steel, the surface of which is treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like, may be used as the negative current collector.
상기 음극 집전체는 그 형태를 특별히 한정하지 않으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태일 수 있다.The shape of the negative current collector is not particularly limited, and may be in various forms such as a film, sheet, foil, net, porous material, foam, or non-woven fabric.
또한, 상기 음극 집전체는 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질과 음극 집전체의 결합력을 강화시킬 수도 있다. In addition, the negative electrode current collector may form fine irregularities on the surface to enhance bonding strength between the negative electrode active material and the negative electrode current collector.
상기 음극 집전체 상에 음극 슬러리의 도포 및 건조는 당 업계에서 일반적으로 수행되는 방법으로 수행될 수 있는 것으로서, 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 도포는 슬롯 다이를 이용한 코팅법이 사용될 수도 있고, 그 이외에도 메이어 바 코팅법, 그라비아 코팅법, 침지 코팅법, 분무 코팅법 등이 사용될 수 있다. The coating and drying of the negative electrode slurry on the negative electrode current collector may be performed by a method commonly performed in the art, and is not particularly limited. For example, a coating method using a slot die may be used for application, and in addition, a Mayer bar coating method, a gravure coating method, a dip coating method, a spray coating method, and the like may be used.
상기 건조는 예를 들어, 실온의 건조 분위기 중 등에서 행할 수 있고, 오븐 내에서 소정 온도 하에서 건조할 수도 있다. The above drying can be performed, for example, in a "drying" atmosphere at room temperature or the like, or can be dried under a predetermined temperature in an oven.
상기 도포 및 건조에 의해 음극 집전체 상에 형성된 음극합제층을 캘린더링 장비의 금속 압연 롤에 통과시켜 압연을 수행할 수 있으며, 이에 의해 소정의 밀도를 갖는 음극을 제조할 수 있다.The negative electrode mixture layer formed on the negative electrode current collector by the coating and drying may be passed through a metal rolling roll of a calendering equipment to perform rolling, thereby manufacturing a negative electrode having a predetermined density.
본 발명의 따른 또 하나의 측면에 따르면, 상기 제조된 음극; 양극; 및 상기 음극과 양극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 이차전지가 제공된다. 양극 및 분리막은 당 업계에서 통상적으로 사용되는 양극 및 분리막이 제한없이 사용될 수 있으며, 여기에서 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. According to another aspect according to the present invention, the prepared negative electrode; anode; and a separator interposed between the negative electrode and the positive electrode. Anodes and separators commonly used in the art may be used without limitation, and a detailed description thereof will be omitted herein.
이와 같이 본 발명에 따라 제조된 음극 슬러리를 이용한 음극은 실리콘계 음극활물질 표면에 연결된 도전제의 함량이 많으므로, 도전성이 향상되고, 또한, 실리콘계 음극활물질 팽창에 따른 접촉 문제가 개선되어, 전지의 용량 및 음극 충·방전 시 발현될 수 있는 음극 활물질의 부피 변화가 억제되어 음극의 수명이 개선될 수 있다.As described above, since the negative electrode using the negative electrode slurry prepared according to the present invention has a large amount of the conductive agent connected to the surface of the silicon-based negative electrode active material, the conductivity is improved, and the contact problem due to the expansion of the silicon-based negative electrode active material is improved, thereby increasing the capacity of the battery. In addition, the lifespan of the negative electrode may be improved by suppressing volume change of the negative electrode active material that may occur during charging and discharging of the negative electrode.
실시예Example
이하, 본 발명을 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명을 실시하는 구체적인 예를 나타내는 것으로서, 이에 의해 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the following examples are intended to show specific examples of carrying out the present invention, and are not intended to limit the present invention thereby.
실시예 1Example 1
최종 음극슬러리의 고형분 함량을 기준으로, 제1 음극활물질로 SiOx 3중량%, 도전제로 SWCNT 0.3중량%, 바인더로 SBR 0.5중량% 및 증점제로 CMC 0.5중량%를 혼합하고, 용매로 물을 고형분 함량이 66중량%가 되도록 첨가한 후에 인라인 믹서를 사용하여 혼합하여 제1 슬러리를 제조하였다.Based on the solid content of the final anode slurry, 3 wt% of SiOx as a first anode active material, 0.3 wt% of SWCNT as a conductive agent, 0.5 wt% of SBR as a binder, and 0.5 wt% of CMC as a thickener were mixed, and water was used as a solvent. After adding so that it became 66% by weight, it was mixed using an in-line mixer to prepare a first slurry.
최종 음극슬러리의 고형분 함량을 기준으로, 상기 제조된 제1 슬러리에 제2 음극활물질로 인조흑연 94.7중량% 및 증점제로 CMC 1중량%를 용매 물과 함께 PD 믹서에 투입하고, 혼합하여 제2 슬러리를 제조하였다. 이때, 투입된 물의 함량은 전체 조성물 중에 포함되는 고형분의 함량이 45중량%가 되도록 사용하였다.Based on the solid content of the final negative electrode slurry, 94.7% by weight of artificial graphite as the second negative electrode active material and 1% by weight of CMC as a thickener were added to the prepared first slurry along with water as a solvent in a PD mixer, and mixed to obtain a second slurry was manufactured. At this time, the amount of water introduced was used so that the solid content contained in the entire composition was 45% by weight.
상기 제조된 음극 슬러리를 두께 8㎛의 구리 포일 상에 도포하고 건조한 후 압연하여 음극합제층의 두께가 105㎛인 음극을 제조하였다. The prepared negative electrode slurry was coated on a copper foil having a thickness of 8 μm, dried, and then rolled to prepare a negative electrode having a negative electrode mixture layer having a thickness of 105 μm.
양극활물질로 Ni 함량 88%인 NCM 98중량%, 바인더로 PVDF 1중량% 및 도전제로 CNT 1중량%를 NMP 용매와 함께 혼합하고 양극슬러리를 제조하였다(고형분 함량 77중량%).A positive electrode slurry was prepared by mixing 98% by weight of NCM with a Ni content of 88% as a cathode active material, 1% by weight of PVDF as a binder, and 1% by weight of CNT as a conductive agent with an NMP solvent (solid content: 77% by weight).
상기 양극슬러리를 두께 12㎛인 알루미늄 포일의 양면에 도포한 후, 건조 및 압연하여 양극합제층의 두께가 95㎛인 양극을 제조하였다.After the positive electrode slurry was applied to both sides of an aluminum foil having a thickness of 12 μm, it was dried and rolled to prepare a positive electrode having a thickness of 95 μm as a positive electrode mixture layer.
상기 제조된 양극 및 음극을 분리막을 경계로 교대로 적층하여 전지를 제조하였다.A battery was manufactured by alternately stacking the prepared cathode and anode with a separator as a boundary.
비교예 1Comparative Example 1
최종 음극슬러리의 고형분 함량을 기준으로, 음극활물질로 SiOx 3중량% 및 인조흑연 94.7중량%, 도전제로 SWCNT 0.3중량%, 바인더로 SBR 0.5중량% 및 증점제 CMC 1.5중량%를 용매인 물과 함께 PD 믹서에 투입하고 혼합하여 음극슬러리를 제조하였다. 이때, 투입된 물의 함량은 전체 조성물 중에 포함된 고형분 함량이 45중량%가 되도록 사용하였다. Based on the solid content of the final anode slurry, 3% by weight of SiOx and 94.7% by weight of artificial graphite as anode active materials, 0.3% by weight of SWCNT as a conductive agent, 0.5% by weight of SBR as a binder and 1.5% by weight of CMC as a thickener were mixed with water as a solvent and PD. It was added to a mixer and mixed to prepare a negative electrode slurry. At this time, the amount of water introduced was used so that the solid content contained in the entire composition was 45% by weight.
상기 제조된 음극슬러리를 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 음극을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.A battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1 using the prepared negative electrode slurry.
전지의 물성 평가Battery property evaluation
실시예 1 및 비교예 1에서 얻어진 각 전지에 대하여 다음과 같은 전지 특성을 평가하였다. For each battery obtained in Example 1 and Comparative Example 1, the following battery characteristics were evaluated.
[전극저항][electrode resistance]
HIOKI 사의 전극 저항 측정 시스템을 이용하여 4개의 probe에서 미세한 전류가 최소 10μA~10mA까지 30초 간 흘렀을 때 전극의 전위 차이로 저항을 측정한다. Using Hioki's electrode resistance measurement system, the resistance is measured by the potential difference of the electrodes when minute currents of at least 10 μA to 10 mA flow from the four probes for 30 seconds.
[전극접착력][Electrode Adhesion]
하이테스트 사의 90도 박리 시험기를 이용하여 전극층과 Foil의 접착력을 측정하며, 양면 압연이 완료된 전극의 한쪽 면을 바닥의 테이프에 붙이고 90° 방향으로 30mm/min의 일정한 속도로 10cm 당길 때 측정된 강도이다. The adhesion between the electrode layer and the foil is measured using a 90-degree peel tester from Hi-Test, and the strength measured when one side of the double-sided rolled electrode is attached to the tape on the floor and pulled 10 cm in the 90° direction at a constant speed of 30 mm/min am.
[전극 스웰링] [electrode swelling]
화성 공정 전 전지의 음극과 화성 공정 후 만충전된 전지의 음극의 두께 변화량을 나타낸 것으로서, 다음 식으로 나타내며, 상기 두께는 마이크로 미터로 측정한다.The change in thickness of the negative electrode of the battery before the conversion process and the negative electrode of the fully charged battery after the conversion process is represented by the following equation, and the thickness is measured with a micrometer.
[용량][Volume]
화성 공정이 완료된 전지를 충방전기에 장착하여 25℃ 환경에서 1/3C Current로 4.2V까지 Constant Current, Constant Voltage 방식으로 1/20C까지 충전하고 1/3C로 Constant current로 2.5V까지 방전한다. The battery that has undergone the chemical conversion process is loaded into a charger/discharger, charged up to 4.2V at 1/3C current, up to 1/20C at constant current and constant voltage, and discharged at 2.5V at 1/3C at constant current.
[저항][resistance]
화성 공정이 완료된 전지를 충방전기에 장착하여 25℃ 환경에서 SOC 50%를 1/3C Setting 한 후에 1C 전류로 30초 진행 후 OCV를 확인하여 저항 (V2-V1/I) 로 계산한다. After setting the
[용량 변화량][Capacity Change]
화성 공정이 완료된 전지를 급속 충전 Max. 5C rate로 충전 후 1/3C로 방전을 반복하며 용량의 퇴화 정도를 관찰한다. Rapid charging of batteries that have completed the conversion process Max. After charging at 5C rate, repeat discharging at 1/3C rate and observe the degree of deterioration of capacity.
[저항 변화량][Resistance change amount]
화성 공정이 완료된 전지을 급속 충전 사이클 진행 중 저항의 증가 정도를 관찰한다. Observe the degree of increase in resistance during the rapid charging cycle of the battery that has completed the conversion process.
상기 각 전지의 물성 평가 결과를 아래 표 1에 나타내었다. 또한, 전지의 사이클 수에 따른 용량 및 저항의 변화를 도 3에 나타내었다.The evaluation results of the physical properties of each battery are shown in Table 1 below. In addition, the change in capacity and resistance according to the number of cycles of the battery is shown in FIG. 3 .
BOLCell
BOL
(@ 500회)Cell EOL
(@ 500 times)
상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1과 비교예 1은 전극의 접착력, 전극 스웰링에 대한 특성은 동등한 것으로 평가되었으나, 전극저항에 있어서는 실시예 1의 음극에서 현저히 감소하는 결과를 나타내었음을 알 수 있었다.한편, 실시예 1의 음극을 사용한 전지는 비교예 1의 음극을 사용한 전지와 비교하여 용량 및 용량 변화량이 동등하였으나, 전지 저항이 현저히 감소하고, 저항 변화량이 개선된 결과를 나타내었다. As can be seen from Table 1, Example 1 and Comparative Example 1 were evaluated as having the same properties for electrode adhesion and electrode swelling, but in terms of electrode resistance, the negative electrode of Example 1 showed a significantly reduced result. On the other hand, the battery using the negative electrode of Example 1 had the same capacity and capacity change compared to the battery using the negative electrode of Comparative Example 1, but the battery resistance was significantly reduced and the resistance change was improved. showed up
또한, 도 3으로부터, 사이클 수에 따른 저항의 증가가 비교예 1에 비하여 현저히 감소됨을 알 수 있다.In addition, it can be seen from FIG. 3 that the increase in resistance according to the number of cycles is significantly reduced compared to Comparative Example 1.
이와 같은 결과로부터, 본 발명에서와 같이 실리콘계 음극활물질을 포함하는 음극에 있어서 2회의 혼합 공정을 적용하여 실리콘계 음극활물질과 CNT를 먼저 접촉시킴으로써 도전제가 실리콘계 음극활물질의 표면에 다량 존재할 수 있어, 전극저항을 개선할 수 있고, 사이클 중 저항 변화가 적음을 알 수 있다. 이때, 상기 저항의 증가가 적은 결과를 나타내는 것은 실리콘계 음극활물질이 수축 팽창할 때 CNT와의 접촉성이 개선됨으로써 나타나는 결과로 평가된다. From these results, as in the present invention, a large amount of conductive agent can be present on the surface of the silicon-based negative electrode active material by first contacting the silicon-based negative electrode active material with CNT by applying a mixing process twice in the negative electrode including the silicon-based negative electrode active material, resulting in electrode resistance can be improved, and it can be seen that the change in resistance during cycling is small. At this time, the small increase in resistance is evaluated as a result of improved contact with the CNT when the silicon-based negative electrode active material contracts and expands.
Claims (9)
상기 제1 슬러리에 탄소계 제2 음극활물질 및 증점제를 혼합하여 제2 슬러리를 제조하는 단계를 포함하는 음극 슬러리의 제조방법.preparing a first slurry containing a silicon-based first anode active material, a conductive agent, and a binder; and
A method for producing a negative electrode slurry comprising the step of preparing a second slurry by mixing a carbon-based second negative electrode active material and a thickener with the first slurry.
상기 음극 슬러리가 도포된 음극 집전체를 건조하는 단계를 포함하는 음극의 제조방법.Applying the negative electrode slurry prepared according to any one of claims 1 to 7 on at least one surface of the negative electrode current collector; and
A method of manufacturing a negative electrode comprising the step of drying the negative electrode current collector to which the negative electrode slurry is applied.
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