KR20230094219A - Anode active material for lithium secondary battery and method of manufacturing thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery, and more particularly, to a negative electrode active material for a lithium secondary battery and a method for manufacturing the same.
리튬 이차 전지의 음극으로 사용되는 흑연/탄소계 음극 활물질은 리튬 금속의 전극 전위에 근접한 전위를 가지기 때문에, 이온 상태 리튬의 삽입 및 탈리 과정 동안 결정구조의 변화가 작아 전극에서의 지속적이고 반복적인 산화 환원 반응을 가능하게 함으로써, 리튬 이차 전지가 높은 용량 및 우수한 수명을 가질 수 있는 기반을 제공하였다.Since the graphite/carbon-based negative electrode active material used as the negative electrode of a lithium secondary battery has a potential close to that of lithium metal, the change in crystal structure during the insertion and desorption process of ionic state lithium is small, resulting in continuous and repeated oxidation at the electrode. By enabling the reduction reaction, a basis for a lithium secondary battery to have high capacity and excellent lifespan was provided.
상기 탄소계 음극 활물질로 결정질 탄소계 재료인 천연 흑연 및 인조 흑연, 또는 비정질 탄소계 재료인 하드 카본 및 소프트 카본과 같은 다양한 형태의 재료가 사용되고 있다. 이 중에서도 가역성이 뛰어나 리튬 이차 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있는 흑연계 활물질이 가장 널리 사용되고 있다. 상기 흑연계 활물질은 리튬 대비 방전 전압이 - 0.2 V로 낮기 때문에 흑연계 활물질을 이용한 전지는 3.6 V의 높은 방전 전압을 나타낼 수 있어 리튬 이차 전지의 에너지 밀도 면에서 많은 이점을 제공하고 있다.Various types of materials such as natural graphite and artificial graphite, which are crystalline carbon-based materials, or hard carbon and soft carbon, which are amorphous carbon-based materials, are used as the carbon-based negative electrode active material. Among them, a graphite-based active material capable of improving the lifespan characteristics of a lithium secondary battery due to its excellent reversibility is most widely used. Since the graphite-based active material has a low discharge voltage of -0.2 V compared to lithium, a battery using the graphite-based active material can exhibit a high discharge voltage of 3.6 V, providing many advantages in terms of energy density of the lithium secondary battery.
상기 결정질 재료인 인조 흑연은 2,700 ℃ 이상의 높은 열에너지를 가해서 흑연의 결정 구조를 만들기 때문에, 천연 흑연보다 안정적인 결정구조를 가지므로 리튬 이온의 반복적인 충전 및 방전에도 결정구조의 변화가 작아 상대적으로 수명이 길다. 일반적으로 인조 흑연계 음극 활물질은 천연 흑연보다 2 내지 3 배 정도 수명이 길다.Since the artificial graphite, which is a crystalline material, creates a crystal structure of graphite by applying high thermal energy of 2,700 ° C. or more, it has a more stable crystal structure than natural graphite, so that the change in the crystal structure is small even after repeated charging and discharging of lithium ions, and thus has a relatively long lifespan. long. In general, artificial graphite-based negative active materials have a lifespan two to three times longer than natural graphite.
결정 구조가 안정화되어 있지 않는 비정질 탄소계 재료인 소프트 카본 및 하드 카본은 리튬 이온의 진출이 더욱 원활한 특성을 가지게 된다. 따라서, 충전 및 방전 속도를 높일 수 있어 고속 충전이 요구되는 전극에 사용될 수 있다. 사용하고자 하는 리튬 이차 전지의 수명 특성 및 출력 특성을 고려하여, 상기 탄소계 재료들을 서로 일정 비율로 혼합하여 사용하는 것이 일반적이다.Soft carbon and hard carbon, which are amorphous carbon-based materials in which crystal structures are not stabilized, have characteristics in which lithium ions advance more smoothly. Accordingly, the charging and discharging rates can be increased, so that it can be used for electrodes requiring high-speed charging. In consideration of the lifespan characteristics and output characteristics of a lithium secondary battery to be used, it is common to mix the carbon-based materials with each other in a predetermined ratio.
한편, 리튬 이차 전지에서 고온 저장 특성 및 고온 사이클 특성과 관련된 고온 성능을 개선하는 것이 중요한 해결 과제 중 하나이다. 음극 활물질을 집전체에 도포하여 압연한 후, 내부 총 기공 부피가 높으면 음극의 고온 성능이 저하될 가능성이 크다. 따라서, 전극 압연 시 발생하는 전극의 구조 변화 및 내부 총 기공 부피의 변화를 최소화시켜 리튬 이차 전지의 고온 특성을 향상시킬 필요가 있다.On the other hand, improving high-temperature performance related to high-temperature storage characteristics and high-temperature cycle characteristics in lithium secondary batteries is one of the important challenges. After the negative electrode active material is applied to the current collector and rolled, if the internal total pore volume is high, the high-temperature performance of the negative electrode is highly likely to be deteriorated. Therefore, it is necessary to improve the high-temperature characteristics of the lithium secondary battery by minimizing the change in the structure of the electrode and the change in the total internal pore volume generated during electrode rolling.
구체적으로, 급속 충전용 이차 전지의 음극재 개발 시 상기 고온 특성에 대한 향상이 더욱 요구되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라, 에너지원으로서 이차 전지에 대한 수요가 급격하게 증가하고 있다. 상기 이차 전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 가지며 사이클 수명이 길며, 자기 방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.Specifically, when developing a negative electrode material for a secondary battery for rapid charging, improvement of the high-temperature characteristics is further required. As technology development and demand for mobile devices increase, demand for secondary batteries as an energy source is rapidly increasing. Among the secondary batteries, a lithium secondary battery having high energy density and operating potential, long cycle life, and low self-discharge rate has been commercialized and widely used.
또한, 환경 문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기 오염의 주요 원인 중 하나인 가솔린 차량 및 디젤 차량과 같은 화석 연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차에 대한 관심이 높아지고 있으며, 상기 전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차의 동력원으로서 리튬 이차전지를 사용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.In addition, as interest in environmental issues grows, interest in electric vehicles and hybrid electric vehicles that can replace vehicles using fossil fuels such as gasoline vehicles and diesel vehicles, which are one of the main causes of air pollution, is increasing, Research into the use of lithium secondary batteries as a power source for the electric vehicles and hybrid electric vehicles is being actively conducted.
리튬 이차 전지는 일반적인 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극, 분리막, 및 전해질로 구성되며 리튬 이온의 삽입-탈리(Intercalation-Decalation)에 의해 충전 및 방전이 이루어지는 이차전지이다. 리튬 이차 전지는 에너지 밀도(Energy Density)가 높고, 기전력이 크며, 고용량을 발휘할 수 있는 장점을 가지므로 다양한 분야에 적용되고 있다.A lithium secondary battery is a secondary battery composed of a positive electrode including a general positive electrode active material, a negative electrode including a negative electrode active material, a separator, and an electrolyte, and is charged and discharged by intercalation and decalation of lithium ions. Lithium secondary batteries have advantages of high energy density, large electromotive force, and high capacity, and thus are applied to various fields.
리튬 이차 전지의 양극을 구성하는 양극 활물질로서는 LiCOO2, LiMnO2, LiMn2O4, 또는 LiCrO2와 같은 금속 산화물이 이용되고 있으며, 음극을 구성하는 음극 활물질로서는 금속 리튬(Metal Lithium), 흑연(Graphite), 또는 활성탄(Activated Carbon)과 같은 탄소계 물질(Carbon based metarial), 또는 산화실리콘(SiOx)와 같은 물질이 사용되고 있다.A metal oxide such as LiCOO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , or LiCrO 2 is used as a positive electrode active material constituting the positive electrode of a lithium secondary battery, and as a negative electrode active material constituting the negative electrode, metal lithium, graphite ( Graphite), or a carbon-based material such as Activated Carbon, or a material such as silicon oxide (SiO x ) is used.
상기 음극 활물질 중에서 초기에는 금속 리튬이 주로 사용되었으나 충전 및 방전 상클이 진행됨에 따라 금속 리튬 표면에 리튬 원자가 성장하여 분리막을 손상시켜 전지를 파손시키는 현상이 발생하여 최근에는 탄소계 물질이 주로 사용되고 있다. 흑연계 물질은 우수한 용량 보존 특성 및 효율을 나타내고, 이론 용량 값에 있어서, 관련 시장에서 요구하는 고에너지 및 고출력 밀도의 이론 특성에 도달하지 못하는 문제가 있다.Among the negative electrode active materials, metal lithium was initially mainly used, but as the charge and discharge cycle progresses, lithium atoms grow on the surface of metal lithium to damage the separator and damage the battery. Recently, carbon-based materials are mainly used. Graphite-based materials exhibit excellent capacity retention characteristics and efficiency, and in theoretical capacity values, there is a problem in that they do not reach the theoretical characteristics of high energy and high power density required by the related market.
최근, 전기 자동차의 급격한 부상으로 인하여, 리튬 이차 전지에 대한 기대도 증가하고 있다. 기존의 리튬 이차 전지의 용량은 그대로 보존해가면서, 급속 충전 특성을 개선하기 위한 요구가 증가하고 있다. 이러한 급속 충전의 개선은 주로 탄소/흑연계 물질로 구성되어 있어, 충전 시 리튬 이온의 저장을 담당하는 음극 활물질에서 그 역할을 담당할 수 없기 때문에 충전 시 안정적인 SEI(Solid Electrolyte Interface)의 형성이 중요하다. 이에 따라, 급속 충전과 수명 안정성이 확보된 음극재에 대한 연구가 필요한 실정이다.Recently, due to the rapid rise of electric vehicles, expectations for lithium secondary batteries are also increasing. While the capacity of the existing lithium secondary battery is preserved as it is, there is an increasing demand for improving rapid charging characteristics. The improvement of such rapid charging is mainly composed of carbon/graphite-based materials, which cannot play a role in the anode active material responsible for storing lithium ions during charging, so the formation of a stable SEI (Solid Electrolyte Interface) is important during charging. do. Accordingly, there is a need for research on an anode material with fast charging and life stability secured.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 리튬 이차 전지에 적용 시 급속 충전과 수명 안정성이 확보된 음극재를 제공하는 것이다.A technical problem to be solved by the present invention is to provide an anode material that secures rapid charging and lifetime stability when applied to a lithium secondary battery.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 이점을 갖는 음극재를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing an anode material having the above advantages.
본 발명의 일 실시예에 따른, 음극 활물질은 코크스에서 유래된 음극 활물질로서, 흑연 입자 및 상기 흑연 입자 상에 배치되는 탄소 코팅층을 포함하고, 상기 흑연 입자 중 적어도 하나의 구형 입자를 포함하며, 상기 탄소 코팅층은 상기 흑연 입자 100 중량부 기준으로 10 내지 20 중량부 포함되고, 상기 탄소 코팅층의 고정 탄소량이 20 % 이상이고, 상기 탄소 코팅층은 콜타르 유래 물질이며, 상기 콜타르는 퀴놀린 불용분(QI)이 상기 콜타르 전체 중량%에 대하여 2 중량% 미만일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 구형 입자는 상기 음극 활물질의 D90과 대비하여 10 내지 25 % 내의 사이즈 분포를 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the negative active material is a negative active material derived from coke, includes graphite particles and a carbon coating layer disposed on the graphite particles, and includes at least one spherical particle among the graphite particles, The carbon coating layer is included in an amount of 10 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the graphite particles, the fixed carbon content of the carbon coating layer is 20% or more, the carbon coating layer is a material derived from coal tar, and the coal tar has quinoline insoluble content (QI) It may be less than 2% by weight based on the total weight% of the coal tar. In one embodiment, the spherical particles may have a size distribution within 10 to 25% of the D90 of the negative electrode active material.
일 실시예에서, 상기 구형 입자는 상기 음극 활물질의 입도 분포에 있어서, 1개의 피크(Peak)로 대표되는 값을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 흑연층 면간격인 d(002) 간격은 0.3354 내지 0.3362 ㎚일 수 있다.In one embodiment, the spherical particles may have a value represented by one peak in the particle size distribution of the negative electrode active material. In one embodiment, the d (002) spacing, which is the interplanar spacing of the graphite layers, may be 0.3354 to 0.3362 nm.
일 실시예에서, 상기 콜타르는 고정 탄소량이 상기 콜타르 전체 중량%에 대하여 20 % 이상일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 구형의 흑연 입자의 고정 탄소량은 99 % 이상일 수 있다.In one embodiment, the coal tar may have a fixed carbon content of 20% or more based on the total weight of the coal tar. In one embodiment, the fixed carbon content of the spherical graphite particles may be 99% or more.
일 실시예에서, 음극 활물질의 입도(D50)는 11 내지 20 ㎛일 수 있다. 일 실시예에서, 음극 활물질의 탭밀도는 0.70 이상일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 코크스는 석탄계, 석유계 또는 이들의 조합 중 어느 하나에서 유래된 것일 수 있다.In one embodiment, the particle size (D50) of the negative electrode active material may be 11 to 20 μm. In one embodiment, the tap density of the negative electrode active material may be 0.70 or more. In one embodiment, the coke may be derived from any one of coal-based, petroleum-based, or a combination thereof.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 음극 활물질의 제조 방법은 코크스 입자를 미분쇄하는 단계, 미분쇄 결과물을 흑연화 하는 단계, 흑연화된 결과물을 바인더와 혼합하는 단계, 및 혼합된 결과물을 탄화하는 단계를 포함하고, 상기 흑연화된 결과물을 바인더와 혼합하는 단계에서, 바인더는 코크스 100 중량부 기준으로, 10 내지 20 중량부 더 포함하고, 상기 바인더의 고정 탄소량이 20 % 이상이고, 상기 바인더는 콜타르 유래 물질이고, 상기 바인더는 퀴놀린 불용분(QI)이 상기 콜타르 전체 중량%에 대하여 2 중량% 미만일 수 있다. According to another embodiment of the present invention, a method for manufacturing an anode active material includes finely pulverizing coke particles, graphitizing the pulverized product, mixing the graphitized product with a binder, and carbonizing the mixed product. In the step of mixing the graphitized product with a binder, the binder further includes 10 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of coke, the fixed carbon content of the binder is 20% or more, and the binder It is a material derived from coal tar, and the binder may have a quinoline insoluble component (QI) of less than 2% by weight based on the total weight% of the coal tar.
일 실시예에서, 상기 코크스 입자를 미분쇄하는 단계는 평균 입경(D50)이 6 내지 12 ㎛일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 미분쇄 결과물을 흑연화 하는 단계는 2,700 ℃ 이상에서 수행할 수 있다.In one embodiment, the step of pulverizing the coke particles may have an average particle diameter (D50) of 6 to 12 μm. In one embodiment, the step of graphitizing the pulverized product may be performed at 2,700 °C or higher.
일 실시예에서, 상기 혼합된 결과물을 탄화하는 단계는 800 ℃ 이상에서 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 석탄계 또는 석유계 코크스의 휘발분 함량은 1 % 이상일 수 있다.In one embodiment, the step of carbonizing the mixed product may be performed at 800 °C or higher. In one embodiment, the volatile matter content of the coal-based or petroleum-based coke may be greater than 1%.
본 발명의 일 실시예에 따른 음극재는 소량의 구형 입자를 포함함으로써, 음극재의 입도 변화에 영향을 미치지 않으면서 동시에 전극 제조 시 탭밀도, 안정성, 및 수명 특성이 우수한 전지를 제조할 수 있다.Since the negative electrode material according to an embodiment of the present invention includes a small amount of spherical particles, it is possible to manufacture a battery having excellent tap density, stability, and lifespan characteristics during electrode manufacturing without affecting the particle size change of the negative electrode material.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 음극재의 제조 방법은은 상기 이점을 갖는 음극재를 제조하는 방법을 제공하여, 별도의 혼련 공정 없이 흑연화한 단입자로만 구성된 음극재와 바인더를 믹싱함으로써, 안정성 및 수명 특성이 우수한 전지를 제조할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the method for manufacturing an anode material provides a method for manufacturing an anode material having the above advantages, by mixing a cathode material composed of only graphitized single particles and a binder without a separate kneading process, thereby improving stability. And a battery with excellent lifespan characteristics can be manufactured.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 리튬 이차전지용 음극 활물질의 조직 사진을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 음극 활물질 제조 방법에 대한 순서도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 비교예에 따른, 리튬 이차전지용 음극 활물질의 조직 사진을 나타낸다.1 shows a photograph of a structure of an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart of a method for manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention.
3a and 3b show a photograph of a structure of an anode active material for a lithium secondary battery according to a comparative example of the present invention.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.Terms such as first, second and third are used to describe, but are not limited to, various parts, components, regions, layers and/or sections. These terms are only used to distinguish one part, component, region, layer or section from another part, component, region, layer or section. Accordingly, a first part, component, region, layer or section described below may be referred to as a second part, component, region, layer or section without departing from the scope of the present invention.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는”의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is only for referring to specific embodiments and is not intended to limit the present invention. As used herein, the singular forms also include the plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. The meaning of “comprising” as used herein specifies particular characteristics, regions, integers, steps, operations, elements and/or components, and the presence or absence of other characteristics, regions, integers, steps, operations, elements and/or components. Additions are not excluded.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.When a part is referred to as being “on” or “on” another part, it may be directly on or on the other part or may be followed by another part therebetween. In contrast, when a part is said to be “directly on” another part, there is no intervening part between them.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Although not defined differently, all terms including technical terms and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms defined in commonly used dictionaries are additionally interpreted as having meanings consistent with related technical literature and currently disclosed content, and are not interpreted in ideal or very formal meanings unless defined.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 리튬 이차전지용 음극 활물질의 조직 사진을 나타낸다.1 shows a photograph of a structure of an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른, 리튬 이차전지용 음극 활물질은 코크스(Coke)에서 유래된 음극 활물질로서, 흑연 입자 및 상기 흑연 입자 상에 배치된 탄소 코팅층을 포함하고, 상기 흑연 입자 중 적어도 하나의 구형 입자를 포함한다. 코크스는 석탄계 코크스, 석유계 코크스, 또는 이들의 조합 중 적어도 어느 하나일 수 있다. Referring to FIG. 1, an anode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention is a cathode active material derived from coke, and includes graphite particles and a carbon coating layer disposed on the graphite particles. It includes at least one spherical particle among the particles. The coke may be at least one of coal-based coke, petroleum-based coke, or a combination thereof.
상기 흑연 입자는 상기 코크스로부터 유래된 것일 수 있다. 상기 흑연 입자는 석탄 또는 석유 잔사(Residue)와 같은 유기물을 열처리하여 얻어진 탄소체인 상기 코크스를 가공 및 고온 열처리하여 얻어진 인조흑연일 수 있다. 상기 인조흑연은 조립품이 아니며, 단입자 자체이며, 조립되지 않았기 때문에, 음극 활물질 제조 시 원료로서 사용되는 상기 인조흑연에는 소프트 카본 접착체 또는 하드 카본 접착체와 같은 구성을 포함하지 않는다.The graphite particles may be derived from the coke. The graphite particles may be artificial graphite obtained by processing and heat-treating the coke, which is a carbon body obtained by heat-treating an organic material such as coal or petroleum residue. Since the artificial graphite is not an assembled product, but is a single particle itself and is not assembled, the artificial graphite used as a raw material in manufacturing the negative electrode active material does not include a structure such as a soft carbon adhesive or a hard carbon adhesive.
상기 흑연 입자 중 적어도 하나의 구형 입자를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 구형 입자의 사이즈 분포는, 상기 음극 활물질 입도 분포를 기준으로 D90 대비 10 내지 25 %내의 범위일 수 있다. 상기 D90은 다양한 입자 크기가 분포되어 있는 활물질의 입자를 부피비로 낮은 영역에 90 %까지 입자를 누적시켰을 때의 입자 크기를 의미한다. 상기 범위 보다 낮은 경우, 미분으로 작용하여 전지 적용 시 용량 및 효율 저하의 문제가 있고, 상기 범위 보다 높은 경우, 거분으로 작용하여 전극가공성이 저하되는 문제가 있다. At least one spherical particle among the graphite particles is included. In one embodiment, the size distribution of the spherical particles may be within a range of 10 to 25% of D90 based on the particle size distribution of the negative electrode active material. The D90 means a particle size when the particles of the active material in which various particle sizes are distributed are accumulated up to 90% in a region with a low volume ratio. If it is lower than the above range, it acts as a powder and there is a problem of lowering capacity and efficiency when applying the battery.
일 실시예에서, 상기 구형 입자는 상기 음극 활물질의 입도 분포에 있어서, 1개의 피크(Peak)로 대표되는 값을 가질 수 있다. 상기 피크는 입도 측정 시, 정규 분포 상 가장 많은 영역을 의미하며, 상기 피크는 예를 들어, D50 또는 중간 값일 수 있다. 구체적으로, 상기 피크는 정규 분포 상 입도가 많이 모여, 가장 높게 형성된 피크를 의미한다.In one embodiment, the spherical particles may have a value represented by one peak in the particle size distribution of the negative electrode active material. The peak means the largest area on a normal distribution when measuring particle size, and the peak may be, for example, D50 or a median value. Specifically, the peak means a peak formed at the highest level by gathering a large number of particle sizes on a normal distribution.
상기 피크가 1 개도 형성되지 않는 경우, 상기 구형 입자가 형성되지 않는 문제가 있고, 상기 피크가 2개 이상이 형성되는 경우, 상기 구형 입자의 함량이 커짐으로써, 리튬 이차 전지 제조 시 탭밀도를 저하시키는 문제가 있다. 이와 같이, 상기 구형 입자는 상기 음극 활물질의 입도 분포에 있어서, 1개의 피크만을 가짐으로써, 전체 음극 활물질의 입도 분포에 영향을 미치지 않을 정도의 소량을 포함함을 확인할 수 있다. When no peak is formed, there is a problem in that the spherical particles are not formed, and when two or more peaks are formed, the content of the spherical particles increases, thereby reducing the tap density during lithium secondary battery manufacturing. there is a problem with As such, the spherical particles have only one peak in the particle size distribution of the negative electrode active material, so it can be confirmed that they are included in a small amount that does not affect the particle size distribution of the negative electrode active material.
일 실시예에서, 상기 구형 입자는 상기 음극 활물질 내에 10 내지 25 %의 함량 범위를 포함할 수 있다. 상기 구형 입자가 상기 함량 범위의 하한 값 보다 낮은 함량을 포함하는 경우, 구형 입자를 포함함으로써 발현되는 이점이 발현되지 않는 문제가 있고, 상기 구형 입자가 상기 함량 범위의 상한 값 보다 높은 함량을 포함하는 경우, 상기 음극 활물질 내 상기 구형 입자가 과도하게 많아짐에 따라, 탭 밀도가 저하되는 문제가 있다. 일 실시예에서, 상기 구형 입자의 고정 탄소량은 99 % 이상일 수 있다. In one embodiment, the content of the spherical particles may range from 10 to 25% in the negative electrode active material. When the spherical particles include a content lower than the lower limit of the content range, there is a problem in that the advantages expressed by including the spherical particles are not expressed, and the spherical particles include a content higher than the upper limit of the content range In this case, as the number of spherical particles in the negative electrode active material increases excessively, there is a problem in that the tap density decreases. In one embodiment, the fixed carbon content of the spherical particles may be 99% or more.
상기 흑연 입자상에 배치되는 상기 탄소 코팅층은 바인더를 소성시킨 것일 수 있다. 상기 바인더는 핏치일 수 있으며, 상기 핏치는 콜타르와 같은 석탄계 원료 또는 석유계 원료 기반의 물질일 수 있다. 상기 핏치가 상기 흑연 입자 상에 양호하게 코팅될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 바인더는 상기 흑연 입자 100 중량부 기준으로 10 내지 20 중량부 포함될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 제조 방법에서 후술하기로 한다.The carbon coating layer disposed on the graphite particles may be obtained by sintering a binder. The binder may be a pitch, and the pitch may be a material based on a coal-based raw material such as coal tar or a petroleum-based raw material. The pitch may be well coated on the graphite particles. In one embodiment, the binder may be included in an amount of 10 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the graphite particles. A detailed description thereof will be described later in the manufacturing method.
일 실시예에서, 상기 탄소 코팅층의 휘발분 함량은 1 % 이상일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 탄소 코팅층은 콜타르 유래 물질일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 콜타르는 퀴놀린 불용분(Quinoline Insoluble, QI)이 상기 콜타르 전체 중량%에 대하여 2 중량% 미만일 수 있다. 상기 퀴놀린 불용분 함량이 많은 경우, 음극재로 제조된 이후 전극이 열화되는 문제가 있다.In one embodiment, the volatile matter content of the carbon coating layer may be 1% or more. In one embodiment, the carbon coating layer may be a material derived from coal tar. In one embodiment, the coal tar may contain less than 2% by weight of quinoline insoluble (QI) based on the total weight% of the coal tar. When the content of the quinoline insoluble content is high, there is a problem in that the electrode is deteriorated after being manufactured as a negative electrode material.
일 실시예에서, 상기 콜타르는 고정 탄소량이 상기 콜타르 전체 중량%에 대하여 20 중량% 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 콜타르의 상기 고정 탄소량은 20 내지 30 중량% 일 수 있다. 상기 고정 탄소량이 상기 함량을 만족하지 않는 경우, 방전용량과 전지 효율과 같은 이차전지 성능이 열위한 문제가 발생할 수 있다. In one embodiment, the coal tar may have a fixed carbon content of 20% by weight or more based on the total weight% of the coal tar. Specifically, the fixed carbon content of the coal tar may be 20 to 30% by weight. When the amount of fixed carbon does not satisfy the above content, a problem of inferior secondary battery performance such as discharge capacity and battery efficiency may occur.
구체적으로, 상기 고정 탄소량이 과도하게 많은 경우, 액상화가 어려워 액상 코팅을 통하여 취하려는 이점을 얻을 수 없고, 별도의 공정을 필요로 하는 점에서 비경제적이다. 상기 고정 탄소량이 과도하게 적은 경우, 코팅 물질로서 작용을 구현하기 위해서 인조 흑연과 혼합 시 믹서의 회전율을 높여야하고, 회전율이 높아짐에 따라 믹서 내부 및 혼합물의 온도가 상승하기 때문에 전지 성능이 열화되는 문제가 있다.Specifically, when the amount of fixed carbon is excessively large, it is difficult to liquefy, and it is uneconomical in that a desired advantage cannot be obtained through liquid coating and a separate process is required. When the amount of fixed carbon is excessively small, the rotation rate of the mixer must be increased when mixing with artificial graphite to realize the function as a coating material, and as the rotation rate increases, the temperature inside the mixer and the mixture rises, resulting in deterioration of battery performance. there is
일 실시예에서, 음극 활물질은 XRD를 통해 측정된 흑연층 면간격 d(002) 간격이 0.3354 내지 0.3362 ㎚일 수 있다. 상기 흑연층 면간격은 탄소가 적층되어 있는 흑연에 있어서, 상기 흑연을 구성하는 상기 탄소들 사이에 간격을 의미하는 것이다. 상기 흑연층 면간격이 상기 범위를 만족함으로써, 리튬 이차 전지의 충 방전에 따라 이동하는 리튬 이온의 삽입과 탈리가 원활하게 진행되는 이점이 있다.In one embodiment, the negative electrode active material may have a d (002) spacing between graphite layers measured through XRD of 0.3354 to 0.3362 nm. The interplanar spacing of the graphite layers refers to the spacing between the carbons constituting the graphite in the graphite in which carbon is stacked. When the interplanar spacing of the graphite layers satisfies the above range, there is an advantage in that insertion and desorption of lithium ions moving along with charging and discharging of the lithium secondary battery proceed smoothly.
일 실시예에서, 음극 활물질의 입도(D50)는 11 내지 20 ㎛일 수 있다. 상기 D50은 다양한 입자 크기가 분포되어 있는 활물질의 입자를 부피비로 낮은 영역에 50 %까지 입자를 누적시켰을 때의 입자 크기를 의미한다. 상기 범위 보다 낮은 경우, 구형 음극(MCMB)과의 용량 및 효율 저하의 문제가 있고, 상기 범위 보다 높은 경우, 전극 제조 시, 집전체로부터 박리 현상이 발생하는 문제가 있다.In one embodiment, the particle size (D50) of the negative electrode active material may be 11 to 20 μm. The D50 means the particle size when the particles of the active material in which various particle sizes are distributed are accumulated up to 50% in a region with a low volume ratio. If it is lower than the above range, there is a problem of capacity and efficiency deterioration with the spherical negative electrode (MCMB), and if it is higher than the above range, there is a problem of peeling from the current collector during electrode manufacturing.
일 실시예에서, 음극 활물질의 탭밀도는 0.70 이상일 수 있다. 상기 탭밀도가 높을수록 전극층의 고밀도화 및 에너지 밀도의 증가를 기대할 수 있다. 상기 탭밀도가 0.70 보다 낮은 경우, 전극 슬러리성이 열화되어 음극재 제조가 어려운 문제가 있다.In one embodiment, the tap density of the negative electrode active material may be 0.70 or more. As the tap density increases, higher density of the electrode layer and increase in energy density can be expected. When the tap density is lower than 0.70, electrode slurry properties deteriorate, making it difficult to manufacture a negative electrode material.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 음극 활물질 제조 방법에 대한 순서도이다.2 is a flowchart of a method for manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른, 음극 활물질 제조 방법은 코크스 입자를 미분쇄하는 단계(S100), 미분쇄 결과물을 흑연화 하는 단계(S200), 흑연화된 결과물을 바인더와 혼합하는 단계(S300) 및 혼합된 결과물을 탄화하는 단계(S400)를 포함한다. 상기 코크스 입자 및 상기 단계들에 의해 제조되는 음극 활물질에 대한 상세한 설명은 도 1에서 상세히 설명한 바와 같다.Referring to FIG. 2 , a method for manufacturing an anode active material according to an embodiment of the present invention includes pulverizing coke particles (S100), graphitizing the pulverized result (S200), and combining the graphitized result with a binder. It includes mixing (S300) and carbonizing the mixed resultant (S400). A detailed description of the coke particles and the negative electrode active material produced by the above steps is as described in detail with reference to FIG. 1 .
코크스 입자를 미분쇄하는 단계(S100)는 상기 코크스 입자를 잘게 부스는 단계이다. 상기 미분쇄하는 단계는 비제한적인 예시로서, Jet mill, Pin mill, Air classifier mill, Raymond mill, Jaw crusher, 및 Vertical roller mill과 같은 다양한 종류의 입도 조절 방법이 활용될 수 있다.The step of pulverizing the coke particles (S100) is a step of crushing the coke particles finely. The pulverizing step is a non-limiting example, and various types of particle size control methods such as a jet mill, a pin mill, an air classifier mill, a Raymond mill, a jaw crusher, and a vertical roller mill may be utilized.
일 실시예에서, 코크스 입자를 미분쇄하는 단계(S100)는 상기 코크스 입자의 평균 입경(D50)이 6 내지 12 ㎛로 분급할 수 있다. 상기 평균 입경이 과도하게 작은 경우, 미분으로서, 바인더를 이용한 조립 시, 바인더가 대량으로 필요한 문제가 있고, 바인더가 많아짐에 따라 용량 저하의 문제가 있다. 상기 평균 경이 과도하게 큰 경우, 전지 제조 시 출력저하의 문제가 있다.In one embodiment, in the step of pulverizing the coke particles (S100), the average particle diameter (D50) of the coke particles may be classified into 6 to 12 μm. When the average particle diameter is excessively small, there is a problem in that a large amount of the binder is required when granulating using a binder as a fine powder, and there is a problem in capacity reduction as the binder increases. If the average diameter is excessively large, there is a problem of power deterioration during battery manufacturing.
미분쇄 결과물을 흑연화 하는 단계(S200)는 예를 들어, 아치슨(Acheson)로와 같은 흑연화로를 이용하여 코크스 입자를 흑연화할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 미분쇄 결과물을 흑연화하는 단계(S200)는 2,700 ℃ 이상의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 온도 보다 낮은 범위에서 흑연화가 수행될 경우, 상기 코크스 입자의 흑연화를 위해 과도한 시간이 소요되는 문제가 있다.In the step of graphitizing the pulverized product (S200), coke particles may be graphitized using a graphitization furnace such as an Acheson furnace. In one embodiment, the step of graphitizing the pulverized product (S200) may be performed at a temperature of 2,700 °C or higher. When graphitization is performed at a temperature lower than the above temperature range, there is a problem in that excessive time is required for graphitization of the coke particles.
일 실시예에서, 미분쇄 결과물을 흑연화하는 단계는 불활성 분위기에서 수행될 수 있다. 상기 불활성 분위기는 비제한적인 예시로서, 질소, 아르곤, 및 헬륨과 같은 분위기에서 실시될 수 있다.In one embodiment, the step of graphitizing the pulverized product may be performed in an inert atmosphere. The inert atmosphere may be implemented in an atmosphere such as nitrogen, argon, and helium, as non-limiting examples.
상기 흑연화된 결과물을 바인더와 혼합하는 단계(S300)는 상기 흑연화된 결과물 100 중량부 기준으로, 상기 바인더를 10 내지 20 중량부 첨가하여 혼합할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 혼합 반응기에 상기 바인더가 상기 흑연화된 결과물 보다 상부에서 장입될 수 있다. 이는 상기 흑연화된 결과물에 상기 바인더가 최대한 균일하게 퍼져 도포될 수 있도록 하기 위함이다.In the step of mixing the graphitized product with a binder (S300), 10 to 20 parts by weight of the binder may be added and mixed based on 100 parts by weight of the graphitized product. In one embodiment, the binder may be loaded in the mixing reactor above the graphitized product. This is to ensure that the binder can be spread and applied as uniformly as possible to the graphitized product.
상기 바인더가 상기 중량부 범위만큼 포함됨에 따라, 구형 입자가 적절 범위만큼 형성되며, 리튬 이차 전지 제조 시 탭밀도가 우수하고, 안정성을 가질 수 있다.As the binder is included in the range of parts by weight, spherical particles are formed in an appropriate range, and the tap density is excellent and stability can be obtained when manufacturing a lithium secondary battery.
상기 바인더가 상기 범위의 상한 값을 벗어나는 경우, 상기 구형 입자의 함량이 과도하게 많아져 리튬 이차 전지 제조 시 탭밀도가 저하되는 문제가 있다. 상기 바인더가 상기 범위의 하한 값을 벗어나는 경우, 상기 구형 입자의 함량이 적절 범위만큼 형성되지 않는 문제가 있다.When the binder is out of the upper limit of the range, the content of the spherical particles is excessively increased, resulting in a decrease in tap density during manufacture of a lithium secondary battery. When the binder is out of the lower limit of the range, there is a problem in that the content of the spherical particles is not formed within an appropriate range.
혼합된 결과물을 탄화하는 단계(S400)는 상기 바인더와 혼합하는 단계에 의해 코팅층이 형성된 흑연 입자를 탄화시키는 것이다. 상기 혼합된 결과물을 탄화하는 단계(S400)는 1,000 ℃ 내지 1,200 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다. 상기 온도 범위의 하한 값을 벗어나는 경우, 휘발분 제거율이 낮아 최종 제품의 품질이 낮아지는 문제가 있고, 상기 온도 범위의 상한 값을 벗어나는 경우, 흑연화에 흑연화에 가까운 온도로 불필요한 에너지 소모가 생기는 문제가 있다.Carbonizing the mixed product (S400) is to carbonize the graphite particles on which the coating layer is formed by mixing with the binder. Carbonizing the mixed product (S400) may be performed at a temperature range of 1,000 °C to 1,200 °C. When the lower limit of the temperature range is exceeded, the volatile content removal rate is low, resulting in a lower quality of the final product, and when the upper limit of the temperature range is exceeded, unnecessary energy consumption occurs at a temperature close to graphitization in graphitization. there is
상기 탄화하는 단계(S400)는 상기 흑연화하는 단계(S200)보다 후행하여 수행될 수 있다. 상기 코크스 입자를 탄화하기 전에 흑연화를 선행하여 수행함으로써, 전지 제조 시, 전지의 출력이 우수한 이점이 있다. 또한, 제조 방법에 있어서, 공정 및 비용의 절감이 있다. 이에 반해, 상기 흑연화하는 단계가 상기 탄화하는 단계를 후행할 경우, 로스(Loss) 손실이 발생하여 수율이 낮아지는 문제가 있다. The carbonizing step (S400) may be performed after the graphitizing step (S200). By performing graphitization before carbonizing the coke particles, there is an advantage in that the output of the battery is excellent when manufacturing the battery. In addition, in the manufacturing method, there is a reduction in process and cost. On the other hand, when the graphitization step follows the carbonization step, there is a problem in that a yield is lowered due to loss (Loss) occurs.
이와 같이, 전술한 단계를 통해 제조된 음극 활물질은 적어도 하나 이상의 구형 흑연 입자를 포함하는 것이며, 상기 구형 흑연 입자를 소량 포함함으로써, 전극 제조 시 탭밀도가 우수하고, 방전 용량이 우수하며, 효율이 우수한 리튬 이차 전지의 제조가 가능하다.As such, the anode active material prepared through the above steps includes at least one or more spherical graphite particles, and by including a small amount of the spherical graphite particles, the tap density is excellent, the discharge capacity is excellent, and the efficiency is excellent when manufacturing an electrode. It is possible to manufacture an excellent lithium secondary battery.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬 이차 전지는 전술한 리튬 이차 전지용 음극 활물질 또는 전술한 음극 활물질 제조 방법에 의해 제조된 음극 활물질을 포함하는 음극; 양극; 및 전해질을 포함한다. 구체적으로, 상기 리튬 이차 전지는 양극과 음극 사이에 배치된 세퍼레이터를 더 포함할 수 있다.A lithium secondary battery according to another embodiment of the present invention includes a negative electrode including the negative active material for a lithium secondary battery or the negative active material prepared by the negative active material manufacturing method described above; anode; and electrolytes. Specifically, the lithium secondary battery may further include a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode.
상기 음극은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 음극 활물질, 바인더, 및 선택적으로 도전재를 혼합하여 음극 활물질 층 형성용 조성물을 제조 한 후, 상기 조성물을 음극 집전체에 도포하여 제조할 수 있다. 상기 음극 집전체는 구리 박을 사용할 수 있다.The negative electrode may be prepared by preparing a composition for forming a negative electrode active material layer by mixing the negative electrode active material prepared according to an embodiment of the present invention, a binder, and optionally a conductive material, and then applying the composition to the negative electrode current collector. . Copper foil may be used as the anode current collector.
상기 바인더는 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스/스티렌-부타디엔러버, 히드록시프로필렌셀룰로오스, 디아세틸렌셀룰로오스, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The binder is polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose/styrene-butadiene rubber, hydroxypropylene cellulose, diacetylene cellulose, polyvinyl chloride, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene or poly Propylene or the like may be used, but is not limited thereto.
상기 도전재로는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 구체적으로는 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램 프 블랙, 서머 블랙 등의 카본 블랙; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 상기 음극 활물질층 형성용 조성물의 총량에 대하여 0.1 중량% 내지 30 중량%로 혼합될 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and specifically, graphite such as natural graphite and artificial graphite; carbon blacks such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used. The conductive material may be mixed in an amount of 0.1 wt % to 30 wt % based on the total amount of the composition for forming the negative electrode active material layer.
상기 양극은, 양극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 혼합하여 양극 활물질층 형성용 조성물을 제조한 후, 이 조성물을 양극 집전체에 도포하여 제조할 수 있다. 이때, 바인더 및 도전재는 전술한 음극의 경우와 동일하게 사용된다.The positive electrode may be prepared by preparing a composition for forming a positive electrode active material layer by mixing a positive electrode active material, a binder, and optionally a conductive material, and then applying the composition to a positive electrode current collector. At this time, the binder and the conductive material are used in the same way as in the case of the negative electrode.
상기 양극은 LiCoO2, LiNiO2, LiNixMnyO2, Li1+zNixMnyCo1-x-yO2, LiNixCoyAlzO2, LiV2O5, LiTiS2, LiMoS2, LiMnO2, LiCrO2, LiMn2O4, LiFeO2, LiFePO4, 및 이들의 조합으로 구성된 군 중 어느 하나로서 상기 x는 0.3 내지 0.8이고, 상기 y는 0.1 내지 0.45이며, 상기 z는 독립적으로 0 내지 0.2일 수 있다. 상기 양극은 더욱 구체적으로 LiFePO4, LiCoO2, NCM811, 및 NCM622일 수 있다.The anode is LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi x Mn y O 2 , Li 1+z Ni x Mn y Co 1-xy O 2 , LiNi x Co y Al z O 2 , LiV 2 O 5 , LiTiS 2 , LiMoS 2 , LiMnO 2 , LiCrO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFeO 2 , LiFePO 4 , and any one of the group consisting of combinations thereof, wherein x is 0.3 to 0.8, y is 0.1 to 0.45, and z is independently It can be 0 to 0.2. The positive electrode may be more specifically LiFePO 4 , LiCoO 2 , NCM811, and NCM622.
상기 양극 집전체는, 예를 들면, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것을 사용할 수 있다. 상기 양극 활물질은, 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물을 사용할 수 있다.For the positive current collector, for example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, or aluminum or stainless steel surface-treated with carbon, nickel, titanium, or silver may be used. As the cathode active material, a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium may be used.
상기 리튬 이차 전지에 충진되는 전해질로는 비수성 전해질 또는 공지된 고체 전해질 등을 사용할 수 있으며, 리튬염이 용해된 것을 사용할 수 있다. 상기 리튬염은, 예를 들면, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiSbF6, LiAlO4, LiAlCl4, LiCl, 및 LiI로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.As an electrolyte filled in the lithium secondary battery, a non-aqueous electrolyte or a known solid electrolyte may be used, and a lithium salt dissolved therein may be used. The lithium salt is, for example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , LiSbF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiCl, and at least one selected from the group consisting of LiI may be used.
상기 비수성 전해질의 용매로는, 예를 들면, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트 등의 환상 카보네이트; 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트 등의 쇄상 카보네이트; 아세트산메틸, 아세트산에틸, 아세트산프로필, 프로피온산메틸, 프로피온산에틸, γ-부티로락톤 등의 에스테르류; 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 테트라히드로푸란, 1,2-디옥산, 2-메틸테트라히드로푸란 등의 에테르류; 아세토니트릴 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이들을 단독 또는 복수 개를 조합하여 사용할 수 있다. 특히, 환상 카보네이트와 쇄상 카보네이트와의 혼합 용매를 바람직하게 사용할 수 있다.Examples of the solvent for the non-aqueous electrolyte include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and vinylene carbonate; Chain carbonates, such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, and diethyl carbonate; esters such as methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, and γ-butyrolactone; ethers such as 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,2-dioxane, and 2-methyltetrahydrofuran; nitriles such as acetonitrile; Amides such as dimethylformamide may be used, but are not limited thereto. These may be used singly or in combination of a plurality of them. In particular, a mixed solvent of a cyclic carbonate and a chain carbonate can be preferably used.
상기 전해질로서, 폴리에틸렌옥시드, 폴리아크릴로니트릴 등의 중합체 전해질에 전해액을 함침한 겔상 중합체 전해질이나, LiI, Li3N 등의 무기 고체 전해질이 가능하다. 상기 세퍼레이터는 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유, 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용될 수 있다. 전해액으로 폴리머 등의 고체 전해액이 사용되는 경우 고체 전해액이 분리막을 겸할 수도 있다.As the electrolyte, a gel polymer electrolyte obtained by impregnating an electrolyte solution into a polymer electrolyte such as polyethylene oxide or polyacrylonitrile, or an inorganic solid electrolyte such as LiI or Li 3 N may be used. The separator may be made of chemically resistant and hydrophobic olefin-based polymers such as polypropylene; A sheet or non-woven fabric made of glass fiber, polyethylene, or the like may be used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may serve as a separation membrane.
이하 본 발명의 구체적인 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 구체적인 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described. However, the following examples are only specific examples of the present invention, but the present invention is not limited to the following examples.
<음극 활물질 제조><Manufacture of negative electrode active material>
비교예 1Comparative Example 1
입도가 조절된 석탄계 침상 코크스(D10: 3 ㎛, D50: 8 ㎛, D90: 12 ㎛를 2,800 ℃로 1 시간 가열한 후, 흑연 입자를 생성한 후, 고정 탄소량 20 %이고, 퀴놀린 불용분 함량이 1.5 % 미만인 액상 바인더를 상기 석탄계 침상 코크스 100 중량부 기준으로, 5 중량부 투입한 후 혼합하였다. 상기 혼합 단계는 30 분간 실시하였다. 혼합 단계 후, 혼합물을 1,200 ℃에서 1시간 이상 탄화시켜 음극재를 제조하였다.After heating coal-based needle coke (D10: 3 μm, D50: 8 μm, D90: 12 μm) at 2,800 ° C. for 1 hour and generating graphite particles, the fixed carbon content is 20% and the quinoline
실시예 1Example 1
비교예 1과 대비하여, 석탄계 침상 코크스의 입도가 D10: 4 ㎛, D50: 8 ㎛, D90: 25 ㎛로 조절되고, 상기 액상 바인더를 상기 석탄계 침상 코크스 100 중량부 기준으로, 10 중량부 투입한 것 외에 비교예 1과 동일하게 실시하였다.Compared to Comparative Example 1, the particle size of the coal-based needle coke was adjusted to D10: 4 μm, D50: 8 μm, and D90: 25 μm, and the liquid binder was added at 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the coal-based needle coke. Other than that, it was carried out in the same manner as in Comparative Example 1.
실시예 2Example 2
비교예 1과 대비하여, 석탄계 침상 코크스의 입도가 D10: 7 ㎛, D50: 14 ㎛, D90: 28 ㎛로 조절되고, 상기 액상 바인더를 상기 석탄계 침상 코크스 100 중량부 기준으로, 15 중량부 투입한 것 외에 비교예 1과 동일하게 실시하였다.In contrast to Comparative Example 1, the particle size of the coal-based needle coke was adjusted to D10: 7 μm, D50: 14 μm, D90: 28 μm, and the liquid binder was added at 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the coal-based needle coke. Other than that, it was carried out in the same manner as in Comparative Example 1.
실시예 3Example 3
비교예 1과 대비하여, 석탄계 침상 코크스의 입도가 D10: 8 ㎛, D50: 20 ㎛, D90: 34 ㎛로 조절되고, 상기 액상 바인더를 상기 석탄계 침상 코크스 100 중량부 기준으로, 20 중량부 투입한 것 외에 비교예 1과 동일하게 실시하였다.Compared to Comparative Example 1, the particle size of the coal-based needle coke was adjusted to D10: 8 μm, D50: 20 μm, D90: 34 μm, and the liquid binder was added in 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the coal-based needle coke. Other than that, it was carried out in the same manner as in Comparative Example 1.
비교예 2Comparative Example 2
비교예 1과 대비하여, 석탄계 침상 코크스의 입도가 D10: 12 ㎛, D50: 23 ㎛, D90: 38 ㎛로 조절되고, 상기 액상 바인더를 상기 석탄계 침상 코크스 100 중량부 기준으로, 25 중량부 투입한 것 외에 비교예 1과 동일하게 실시하였다.Compared to Comparative Example 1, the particle size of the coal-based acicular coke was adjusted to D10: 12 μm, D50: 23 μm, and D90: 38 μm, and the liquid binder was added in 25 parts by weight based on 100 parts by weight of the coal-based needle coke. Other than that, it was carried out in the same manner as in Comparative Example 1.
하기 표 1은 전술한 비교예 1 및 2와 실시예 1 내지 3의 바인더 투입량, 입도 분포와 음극재 XRD 분석 시, 발현되는 입도 피크 수, 구형입자 형성 유무, 탭밀도를 나타낸다. 이때, 상기 입도 피크 수는 구형의 흑연 입자가 음극 활물질 입도 분포에 있어서, 1개의 피크로 대표되는 D50 또는 Dmean 값을 갖는 것을 의미하며, 정규 분포 상 입도가 많이 모여, 가장 높게 형성된 피크를 의미한다. 구체적으로, 가장 높고, 뾰족한 부분을 의미한다.Table 1 below shows the amount of binder input, particle size distribution, and the number of particle size peaks expressed, the presence or absence of formation of spherical particles, and the tap density of the negative electrode material XRD analysis of Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 to 3. At this time, the number of particle size peaks means that the spherical graphite particles have a D50 or Dmean value represented by one peak in the particle size distribution of the negative electrode active material, and means the peak formed with the highest particle size on a normal distribution. . Specifically, it means the highest, sharpest part.
투입량
[%]bookbinder
input
[%]
[g/cc]tap density
[g/cc]
[㎚]d(002) spacing
[nm]
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 비교예에 따른 조직 사진을 나타낸다.Figures 3a and 3b show a tissue picture according to a comparative example of the present invention.
도 3a 및 도 3b는 각각 상기 표 1의 비교예 1 및 비교예 2의 조직 사진을 나타낸다. 도 3a를 살펴보면, 구형화 된 입자의 함량이 미비한 것을 확인할 수 있고, 도 3b를 살펴보면, 구형화된 입자가 다수 발생한 것을 확인할 수 있다.3A and 3B show tissue photographs of Comparative Examples 1 and 2 in Table 1, respectively. Looking at Figure 3a, it can be seen that the content of spherical particles is insufficient, looking at Figure 3b, it can be seen that a large number of spherical particles are generated.
상기 표 1을 다시 살펴보면, 비교예 1의 경우, 코크스 입자가 분쇄된 상태와 대비하여, 입도 분포를 감안할 경우, 바인더가 균일하게 도포되지 않은 것을 확인할 수 있고, 이에 따라, 탭밀도가 열위한 것을 확인할 수 있다. 비교예 2의 경우, 구형입자 함량으로 인해, 2개의 XRD 피크가 형성되고, 탭밀도가 열위한 것을 확인할 수 있다.Looking again at Table 1, in the case of Comparative Example 1, it can be confirmed that the binder is not uniformly applied when considering the particle size distribution, compared to the state in which the coke particles are pulverized, and accordingly, the tap density is poor. You can check. In the case of Comparative Example 2, due to the spherical particle content, two XRD peaks were formed, and it could be confirmed that the tap density was poor.
하기 표 2는 바인더의 고정 탄소량이 20 % 미만이고, 퀴놀린 불용분 함량이 1 % 미만인 경우를 만족할 때의 탭밀도를 나타낸다. 하기 표 2에서 상기 바인더의 고정 탄소량을 각각 19%, 16%, 및 18%로 제어하였을 때의 탭밀도를 나타낸다.Table 2 below shows the tap density when the fixed carbon content of the binder is less than 20% and the quinoline insoluble content is less than 1%. Table 2 below shows tap densities when the fixed carbon content of the binder was controlled to 19%, 16%, and 18%, respectively.
고정 탄소량 [%]of binder
Fixed carbon content [%]
[g/cc]tap density
[g/cc]
상기 표 2를 살펴보면, 바인더의 고정 탄소량이 20 % 미만인 경우, 탭밀도가 0.7보다 낮아 열위해지는 것을 확인할 수 있다.Looking at Table 2, it can be seen that when the fixed carbon content of the binder is less than 20%, the tap density is lower than 0.7 and is inferior.
하기 표 3은 바인더의 퀴놀린 불용분 함량이 2 %인 경우 표 1의 실시예 1 내지 3의 석탄계 침상 코크스를 사용하였을 때의 입도 피크 및 탭밀도, d(200) 간격을 나타낸다.Table 3 below shows particle size peaks, tap densities, and d (200) intervals when the coal-based needle cokes of Examples 1 to 3 in Table 1 were used when the quinoline insoluble content of the binder was 2%.
투입량 [%]of binder
input [%]
[g/cc]tap density
[g/cc]
[㎚]d(002) spacing
[nm]
상기 표 3을 살펴보면, 바인더의 퀴놀린 불용분 함량이 본 발명의 범위를 만족하지 못함으로써, 탭밀도가 저하되어 전극 가공성이 열위하며 흑연화도에도 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.Looking at Table 3, it can be seen that when the quinoline insoluble content of the binder does not satisfy the range of the present invention, the tap density is lowered, the electrode processability is inferior, and the degree of graphitization is also affected.
<음극 제조><Cathode manufacturing>
탄화 후의 음극 활물질에 대해 하기와 같은 프로세스로 음극을 제조하였다. 제조된 음극 활물질 97 중량%, 카복시 메틸 셀룰로오스와 스티렌 부타디엔 러버를 포함하는 바인더 2 중량%, Super P 도전재 1 중량%를 증류수 용매 중에 혼합하여 음극 활물질 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 활물질 슬러리를 구리(Cu) 집전체에 도포한 후, 100 ℃ 에서 10 분 동안 건조하여 롤 프레스에서 압착하였다. 이후, 100 ℃ 진공 오븐에서 12 시간 동안 진공 건조하여 음극을 제조하였다. A negative electrode was manufactured by the following process for the negative electrode active material after carbonization. A negative active material slurry was prepared by mixing 97% by weight of the negative electrode active material, 2% by weight of a binder including carboxymethyl cellulose and styrene butadiene rubber, and 1% by weight of a Super P conductive material in a distilled water solvent. After applying the negative electrode active material slurry to a copper (Cu) current collector, it was dried at 100 ° C. for 10 minutes and compressed using a roll press. Thereafter, the negative electrode was prepared by vacuum drying in a vacuum oven at 100 °C for 12 hours.
진공 건조 후, 음극의 전극 밀도는 1.5 내지 1.7 g/cc가 되도록 하였다.After vacuum drying, the electrode density of the negative electrode was set to 1.5 to 1.7 g/cc.
<리튬 이차 전지의 제조><Manufacture of lithium secondary battery>
전술한 방법으로 제조한 음극과 상대 전극으로 리튬 금속(Li-Metal)을 사용하고, 전해액으로는 에틸렌 카보네이트(EC, Ethylene Carbonate) : 디메틸 카보네이트(DMC, Dimethyl Carbonate)의 부피 비율이 1 : 1인 혼합 용매에 1 몰의 LiPF6 용액을 용해시킨 것을 사용하였다.Lithium metal (Li-Metal) is used as the anode and counter electrode prepared by the above method, and the volume ratio of ethylene carbonate (EC, Ethylene Carbonate): dimethyl carbonate (DMC, Dimethyl Carbonate) is 1: 1 as the electrolyte. A solution obtained by dissolving 1 mol of LiPF 6 in a mixed solvent was used.
상기 각 구성 요소를 사용하여, 통상적인 제조 방법에 따라 2032 코인 셀 타입의 반쪽 전지(Half Coin Cell)를 제작하였다.Using each of the above components, a 2032 coin cell type half coin cell was manufactured according to a conventional manufacturing method.
하기 표 4는 다양한 모재로 제조한 음극재를 제조하여 전기화학평가를 수행한 결과를 나타낸다. 이때, 바인더는 고정 탄소량 18 %의 콜타르, 퀴놀린 불용분 함량 0.8 % 미만을 사용하였다.Table 4 below shows the results of electrochemical evaluation by preparing negative electrode materials made of various base materials. At this time, as the binder, coal tar having a fixed carbon content of 18% and a quinoline insoluble content of less than 0.8% were used.
[%]Binder Dosage
[%]
[g/cc]tap density
[g/cc]
[mAh/g]Discharge capacity (3rd)
[mAh/g]
침상코크스coal system
needle coke
침상코크스petroleum
needle coke
탄화품Phenol Resin
carbonized product
상기 표 4를 살펴보면, 최적의 방전용량 350 mAh/g 이상, 최적의 전지 효율 92 % 이상의 범위에 실시예 4 내지 6은 모두 포함되는 것을 확인할 수 있다. 비교예 9 및 비교예 11은 상기 방전용량 및 상기 효율이 열위한 것을 확인할 수 있고, 비교예 10은 구형 입자를 가지는 것을 확인할 수 있으나, 이때의 구형입자는 MCMB인 것으로 확인할 수 있다. 본 발명은 상기 구현예 및/또는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 구현예 및/또는 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Looking at Table 4, it can be seen that Examples 4 to 6 are all included in the range of an optimal discharge capacity of 350 mAh/g or more and an optimal battery efficiency of 92% or more. In Comparative Example 9 and Comparative Example 11, it can be confirmed that the discharge capacity and the efficiency are inferior, and Comparative Example 10 can be confirmed to have spherical particles, but the spherical particles in this case can be confirmed to be MCMB. The present invention is not limited to the above embodiments and / or examples, but can be manufactured in various different forms, and those skilled in the art to which the present invention belongs may change the technical spirit or essential features of the present invention. It will be appreciated that it may be embodied in other specific forms without Therefore, it should be understood that implementations and/or examples described above are illustrative in all respects and not restrictive.
Claims (14)
흑연 입자 및 상기 흑연 입자 상에 배치되는 바인더를 소성시킨 탄소 코팅층을 포함하고,
상기 흑연 입자 중 적어도 하나의 구형 입자를 포함하며,
상기 바인더의 함량은 상기 흑연 입자 100 중량부를 기준으로 10 내지 20 중량부 포함되고,
상기 바인더의 고정 탄소량이 20 % 이상이고,
상기 바인더는 콜타르 유래 물질이며,
상기 콜타르는 퀴놀린 불용분(QI)이 상기 콜타르 전체 중량%에 대하여 2 중량% 미만인 음극 활물질.
As an anode active material derived from coke,
A carbon coating layer obtained by calcining graphite particles and a binder disposed on the graphite particles;
At least one spherical particle among the graphite particles,
The amount of the binder is 10 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the graphite particles,
The fixed carbon content of the binder is 20% or more,
The binder is a material derived from coal tar,
The negative electrode active material in which the coal tar has a quinoline insoluble component (QI) of less than 2% by weight based on the total weight% of the coal tar.
상기 구형 입자는 상기 음극 활물질의 D90과 대비하여 10 내지 25 % 내의 사이즈 분포를 갖는 음극 활물질.
According to claim 1,
The spherical particles have a size distribution within 10 to 25% compared to the D90 of the negative electrode active material.
상기 구형 입자는 상기 음극 활물질의 입도 분포에 있어서, 1개의 피크(Peak)로 대표되는 값을 갖는 음극 활물질.
According to claim 1,
The spherical particles have a value represented by one peak in the particle size distribution of the negative electrode active material.
흑연층 면간격인 d(002) 간격은 0.3354 내지 0.3362 ㎚인 음극 활물질.
According to claim 1,
The negative electrode active material wherein the d (002) spacing, which is the interplanar spacing of the graphite layers, is 0.3354 to 0.3362 nm.
상기 콜타르는 고정 탄소량이 상기 콜타르 전체 중량%에 대하여 20 % 이상인 리튬 이차 전지용 음극 활물질.
According to claim 1,
The coal tar is a negative electrode active material for a lithium secondary battery having a fixed carbon content of 20% or more based on the total weight% of the coal tar.
상기 구형의 흑연 입자의 고정 탄소량은 99 % 이상인 음극 활물질.
According to claim 1,
A negative electrode active material wherein the fixed carbon content of the spherical graphite particles is 99% or more.
입도(D50)는 11 내지 20 ㎛인 음극 활물질.
According to claim 1,
The negative electrode active material has a particle size (D50) of 11 to 20 μm.
탭밀도는 0.70 이상인 음극 활물질.
According to claim 1,
A negative electrode active material having a tap density of 0.70 or more.
상기 코크스는 석탄계, 석유계 또는 이들의 조합 중 어느 하나에서 유래된 음극 활물질.
According to claim 1,
The coke is a negative electrode active material derived from any one of coal-based, petroleum-based, or a combination thereof.
미분쇄 결과물을 흑연화 하는 단계;
흑연화된 결과물을 바인더와 혼합하는 단계; 및
혼합된 결과물을 탄화하는 단계를 포함하고,
상기 흑연화된 결과물을 바인더와 혼합하는 단계에서, 바인더는 코크스 100 중량부 기준으로, 10 내지 20 중량부 더 포함하고,
상기 바인더의 고정 탄소량이 20 % 이상이고,
상기 바인더는 콜타르 유래 물질이고,
상기 바인더는 퀴놀린 불용분(QI)이 상기 콜타르 전체 중량%에 대하여 2 중량% 미만인 음극 활물질 제조 방법.
Finely pulverizing coke particles;
Graphitizing the pulverized product;
mixing the graphitized product with a binder; and
Including the step of carbonizing the mixed result,
In the step of mixing the graphitized product with a binder, the binder further includes 10 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of coke,
The fixed carbon content of the binder is 20% or more,
The binder is a material derived from coal tar,
Wherein the binder has a quinoline insoluble content (QI) of less than 2% by weight based on the total weight% of the coal tar.
상기 코크스 입자를 미분쇄하는 단계는 평균 입경(D50)이 6 내지 12 ㎛인 음극 활물질 제조 방법.
According to claim 10,
The step of finely pulverizing the coke particles has an average particle diameter (D50) of 6 to 12 μm.
상기 미분쇄 결과물을 흑연화 하는 단계는 2,700 ℃ 이상에서 수행하는 음극 활물질 제조 방법.
According to claim 10,
The step of graphitizing the pulverized product is a negative electrode active material manufacturing method performed at 2,700 ℃ or more.
상기 혼합된 결과물을 탄화하는 단계는 800 ℃ 이상에서 수행하는 음극 활물질 제조 방법.
According to claim 10,
The step of carbonizing the mixed product is a negative electrode active material manufacturing method performed at 800 ℃ or more.
석탄계 또는 석유계 코크스의 휘발분 함량은 1 % 이상인 음극 활물질 제조 방법.According to claim 10,
A method for producing a negative electrode active material in which the volatile matter content of coal-based or petroleum-based coke is 1% or more.
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