KR20230102406A - Anode binder composition and anode binder for secondary battery including the same compound and secondary battery including the same binder - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리튬 이차전지 음극재 바인더 조성물, 음극재 바인더 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음극 표면 및 도전체/활물질 간의 접착력과 실리콘 소재의 부피팽창에 대응력이 향상되어, 전극의 전기화학적 안정성 및 기계적 안정성이 개선되며 이로 인해, 전지의 초기 용량 및 수명 특성이 개선될 수 있도록 하는 음극재 바인더 조성물과 음극재 바인더, 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery negative electrode material binder composition, a negative electrode material binder, and a secondary battery including the same, and more particularly, the adhesive strength between the negative electrode surface and the conductor/active material and the ability to respond to volume expansion of silicon material are improved, so that the electrode It relates to a negative electrode material binder composition and a negative electrode material binder that improve the electrochemical stability and mechanical stability of the battery, thereby improving the initial capacity and lifespan characteristics of the battery, and a secondary battery including the same.
리튬 이온 전지(LIBs, Lithium Ion Batterys)는 전기 자동차(EVs, Electric Vehicles) 및 에너지 저장 시스템(ESSs, Energy Storage Systems)을 비롯한 다양한 분야에서 전도유망한 에너지 변환/저장 소자로 주목받고 있다.Lithium ion batteries (LIBs) are attracting attention as promising energy conversion/storage devices in various fields including electric vehicles (EVs) and energy storage systems (ESSs).
그러나, 현재까지 리튬 이온 전지는 활물질, 특히 음극 활물질의 이론 용량이 낮아 그 에너지 밀도가 대규모 적용에 요구되는 수준을 충족시키지는 못하고 있다. 따라서, 리튬 이온 전지에 있어 높은 에너지 밀도를 얻기 위해서 음극 활물질을 더욱 높은 비용량(specific capacity)을 지닌 실리콘(Si) 소재로 대체하는 방안이 연구 중이다.However, until now, lithium ion batteries have low theoretical capacities of active materials, particularly negative electrode active materials, and their energy densities do not meet the level required for large-scale applications. Therefore, in order to obtain a high energy density in a lithium ion battery, a method of replacing an anode active material with a silicon (Si) material having a higher specific capacity is being studied.
리튬 이온 전지의 음극 활물질로 실리콘을 채택하는 것은 셀(전지)의 에너지 밀도를 향상시키고, 보다 고성능의 전지를 구현할 수 있는 방법이 될 수 있다. 그러나, 실리콘을 리튬 이온 전지 음극에 직접 이용하는 경우, 충/방전 시에 실리콘 소재의 부피가 변화함에 따라 전지의 사이클 성능이 열악해지는 결정적인 단점이 존재한다.Adopting silicon as an anode active material of a lithium ion battery can be a way to improve the energy density of a cell (battery) and realize a higher-performance battery. However, when silicon is directly used for a negative electrode of a lithium ion battery, there is a critical disadvantage in that the cycle performance of the battery deteriorates as the volume of the silicon material changes during charging/discharging.
이러한 단점을 해결하기 위해서는 반드시 일정한 수준으로 전극의 일률성(Uniformity)을 보장하여야 하며, 실리콘 기반 음극 소재를 이용한 리튬 이온 전지의 고성능을 구현하기 위해 이러한 부피 변화 문제는 반드시 해결되어야 할 당면과제이다.In order to solve these disadvantages, uniformity of the electrode must be guaranteed at a certain level, and this volume change problem must be solved in order to realize high performance of a lithium ion battery using a silicon-based negative electrode material.
이에 따라서, 실리콘 음극재의 급격한 부피 팽창 및 수축에 대하여 스트레스를 잘 관리할 수 있으며, 전기 전도성이 충분한 바인더 소재를 찾을 필요성이 제기되고 있다.Accordingly, there is a need to find a binder material capable of managing stress well against rapid volume expansion and contraction of the silicon anode material and having sufficient electrical conductivity.
본 발명은 상술한 문제를 극복하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 음극 표면 및 도전체/활물질 간의 접착력과 실리콘의 부피팽창에 대응력이 향상되어, 전극의 전기화학적 안정성 및 기계적 안정성이 개선되며 이로 인해, 전지의 초기 용량 및 수명 특성이 개선될 수 있도록 하는 음극재 바인더 조성물과 음극재 바인더, 이를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것이다.The present invention has been made to overcome the above problems, and the problem to be solved by the present invention is to improve the adhesive strength between the surface of the negative electrode and the conductor / active material and the ability to respond to the volume expansion of silicon, thereby improving the electrochemical stability and mechanical stability of the electrode. Accordingly, an anode material binder composition and an anode material binder capable of improving initial capacity and lifespan characteristics of a battery, and a secondary battery including the same are provided.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위해 하기 화학식 1, 화학식 2로 표시되는 구조 또는 이들의 조합으로 표시되는 구조를 포함하는 제1공중합체 및 하기 화학식 3으로 표시되는 구조를 포함하는 제2공중합체를 포함하는 리튬 이차전지 음극재 바인더 조성물을 제공한다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a first copolymer comprising a structure represented by Formula 1, Formula 2, or a combination thereof, and a second copolymer comprising a structure represented by Formula 3 below. It provides a lithium secondary battery negative electrode material binder composition comprising a.
[화학식 1][Formula 1]
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3][Formula 3]
상기 화학식 1 내지 3에서In Formulas 1 to 3
상기 l, m, x는 각각 1 이상의 정수이며,wherein l, m, and x are each an integer of 1 or greater;
상기 R1 내지 R3, R5 내지 R7은 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 9인 알킬기 또는 -OH기이며,Wherein R 1 to R 3 , R 5 to R 7 are each independently hydrogen, an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms or an -OH group,
상기 R9 내지 R12는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 9인 알킬기, -OH기 또는 다관능성 알코올기이되, 적어도 어느 하나 이상은 OH기 또는 다관능성 알코올기이며,Wherein R 9 to R 12 are each independently hydrogen, an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms, -OH group, or a polyfunctional alcohol group, but at least one or more is an OH group or a polyfunctional alcohol group,
상기 R4및 R8는 각각 독립적으로 C=O(탄소-산소 이중결합) 또는 1 내지 9인 아릴렌기 또는 알킬렌기이다.The R 4 and R 8 is each independently C=O (carbon-oxygen double bond) or a 1 to 9 arylene group or an alkylene group.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1공중합체 및 제2공중합체는 랜덤 공중합체인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the first copolymer and the second copolymer may be characterized in that they are random copolymers.
또한, 상기 제1공중합체는 중량평균 분자량이 100,000 내지 750,000인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the first copolymer may have a weight average molecular weight of 100,000 to 750,000.
또한, 상기 제2공중합체는 중량평균 분자량이 250,000 내지 1,000,000 인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the second copolymer may have a weight average molecular weight of 250,000 to 1,000,000.
또한, 상기 제1공중합체의 함량(a) 및 상기 제2공중합체의 함량(b) 비율(b/a)는 0.6 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, a ratio (b/a) of the content (a) of the first copolymer and the content (b) of the second copolymer may be 0.6 or less.
또한, 상기 화학식 1, 화학식 2로 표시되는 구조 또는 이들의 조합으로 표시되는 구조를 포함하는 제1공중합체는 하기 화학식 4로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the first copolymer including a structure represented by Formula 1 or Formula 2 or a combination thereof may be characterized in that it is a compound represented by Formula 4 below.
[화학식 4][Formula 4]
상기 화학식 4에서,In Formula 4,
n은 1 이상의 정수이며,n is an integer greater than or equal to 1;
R13 및 R16은 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 9인 알킬기 또는 -OH이며, R 13 and R 16 are each independently hydrogen, an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms, or -OH;
R15는 탄소수 1 내지 9인 알킬렌기이며,R 15 is an alkylene group having 1 to 9 carbon atoms;
R14 및 R17은 각각 독립적으로 C=O(탄소-산소 이중결합), 탄소수 1 내지 9인 아릴렌기 또는 알킬렌기이다.R 14 and R 17 are each independently C=O (carbon-oxygen double bond), an arylene group or an alkylene group having 1 to 9 carbon atoms.
또한, 상기 제1공중합체의 하이드록시기 또는 아민기 중 적어도 일부와 상기 제2공중합체에 포함되는 -OH기 또는 다관능성 알코올기가 결합된 구조를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, it may be characterized in that it comprises a structure in which at least a part of the hydroxyl group or amine group of the first copolymer and the -OH group or polyfunctional alcohol group included in the second copolymer are bonded.
또한, 상기 제1공중합체와 상기 제2공중합체의 적어도 일부가 수소-산소 결합을 통해 연결되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, it may be characterized in that at least a part of the first copolymer and the second copolymer are connected through a hydrogen-oxygen bond.
또한 본 발명은 상술한 따른 리튬 이차전지 음극재 바인더 조성물을 포함하는 리튬 이차전지 음극재 바인더를 제공한다.In addition, the present invention provides a lithium secondary battery negative electrode material binder comprising the lithium secondary battery negative electrode material binder composition according to the above.
또한 본 발명은 실리콘(Si) 활물질, 집전체 및 상술한 리튬 이차전지 음극재 바인더를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극재를 제공한다.In addition, the present invention provides a negative electrode material for a lithium secondary battery including a silicon (Si) active material, a current collector, and the above-described negative electrode material binder for a lithium secondary battery.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 음극재는 상기 음극재 바인더와 상기 실리콘 활물질을 1:1 내지 1:5의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.Further, according to an embodiment of the present invention, the negative electrode material may include the negative electrode material binder and the silicon active material in a weight ratio of 1:1 to 1:5.
또한 본 발명은 상술한 음극재로부터 형성된 음극, 리튬 산화물을 포함하는 양극 및 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a lithium secondary battery including a negative electrode formed from the above-described negative electrode material, a positive electrode including lithium oxide, and an electrolyte.
본 발명에 따른 리튬 이차 전지 음극재용 바인더 조성물을 사용하여 음극 및 이차 전지를 제조할 경우, 실리콘 음극 표면에 대한 바인더의 접착력이 우수하고, 이온 전도성 또한 향상되어 전극의 전기화학적 안정성 및 기계적 물성이 개선될 수 있고, 이차 전지의 충전 및 방전에 따른 음극재의 부피 변화를 수용하고 스트레스(응력)에 저항하는 능력이 우수해져 이차 전지의 초기 용량 및 수명 특성이 개선될 수 있다.When a negative electrode and a secondary battery are manufactured using the binder composition for a negative electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention, the adhesion of the binder to the surface of the silicon negative electrode is excellent, and the ionic conductivity is also improved, so that the electrochemical stability and mechanical properties of the electrode are improved. In addition, the ability to accommodate the volume change of the negative electrode material according to the charging and discharging of the secondary battery and resist stress (stress) is excellent, so that the initial capacity and lifespan characteristics of the secondary battery can be improved.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 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. This invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments set forth herein.
본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에서 사용된 용어의 의미를 정의한다. 본 명세서에서, "알킬기(alkyl group)"는 1가 지방족 탄화수소 그룹을 의미한다. 상기 알킬기는 선형(unbranched)과 분지형(branched)을 포함한다. 알킬기는 예컨대 메틸기(methyl), 에틸기(ethyl), 프로필기(propyl), 이소프로필기(isopropyl), n-부틸기(n-butyl), n-펜틸기(n-pentyl) 및 n-헥실기(n-hexyl)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.Before explaining the present invention in more detail, the meaning of terms used in this specification is defined. In this specification, "alkyl group" means a monovalent aliphatic hydrocarbon group. The alkyl group includes linear (unbranched) and branched (branched). Alkyl groups include, for example, methyl, ethyl, propyl, isopropyl, n-butyl, n-pentyl and n-hexyl groups. It may be one or more selected from the group consisting of (n-hexyl), but is not necessarily limited thereto.
또한, 본 명세서에서, "알킬렌기(alkylene group)"는 2가의 지방족 탄화수소 그룹을 의미한다. 상기 알킬렌기는 예컨대 메틸렌(methylene), 에틸렌(ethylene), 프로필렌(propylene), 부틸렌(butylene), 펜틸렌(pentylene) 및 헥실렌기(hexylene) 중에서 선택된 하나를 나타낸다. 그러나, 반드시 이에만 한정되는 것은 아니다.Also, in the present specification, "alkylene group" means a divalent aliphatic hydrocarbon group. The alkylene group represents, for example, one selected from methylene, ethylene, propylene, butylene, pentylene, and hexylene. However, it is not necessarily limited thereto.
이하 본 발명의 구성 및 효과에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the configuration and effects of the present invention will be described in more detail.
1. 리튬 이차 전지 음극재 바인더 조성물1. Lithium secondary battery anode material binder composition
본 발명자들은 종래의 리튬 이차 전지의 성능을 개선하기 위해 기존의 리튬-탄소 기반의 전지 보다 우수한 성능을 가지는 소재를 개발하고자 하였다. 이 중 탄소 소재의 음극을 실리콘 소재의 음극재로 바꾼 리튬 실리콘 계열의 배터리가 큰 주목을 받고 있는데, 이는 실리콘이 탄소에 비해 단위 질량 당 약 10배 이상의 전지 충전 효율을 가지고 있어, 전지의 소형화/고용량 화에 큰 기여를 할 수 있기 때문이다. 그러나 실리콘 음극재는 전지의 충/방전 순환에 의해 부피가 크게 팽창/수축하기 때문에, 전극의 균열, 조각화가 쉽게 발생하게 되어 긴 순환 수명을 유지하기 힘들다는 큰 단점이 있다.The inventors of the present invention have tried to develop a material having better performance than a conventional lithium-carbon based battery in order to improve the performance of a conventional lithium secondary battery. Among them, a lithium silicon-based battery in which a carbon negative electrode is replaced with a silicon negative electrode material is attracting great attention. This is because silicon has about 10 times more battery charging efficiency per unit mass than carbon, which makes it possible to miniaturize/ This is because it can make a great contribution to high capacity. However, since the volume of the silicon anode material greatly expands/contracts due to the charge/discharge cycle of the battery, cracks and fragmentation of the electrode easily occur, making it difficult to maintain a long cycle life.
이에 따라, 본 발명은 하기 화학식 1, 화학식 2로 표시되는 구조 또는 이들의 조합으로 표시되는 구조를 포함하는 제1공중합체 및 하기 화학식 3으로 표시되는 구조를 포함하는 제2공중합체를 포함하는 리튬 이차전지 음극재 바인더 조성물을 제공하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다.Accordingly, the present invention relates to lithium comprising a first copolymer comprising a structure represented by Formula 1, Formula 2, or a combination thereof, and a second copolymer comprising a structure represented by Formula 3 below. A solution to the above problems was sought by providing a secondary battery negative electrode material binder composition.
본 발명에 따른 리튬 이차 전지 음극재용 바인더 조성물을 사용하여 음극 및 이차 전지를 제조할 경우, 실리콘 음극 표면에 대한 바인더의 접착력이 우수하고, 이온 전도성 또한 향상되어 전극의 전기화학적 안정성 및 기계적 물성이 개선될 수 있고, 이차 전지의 충전 및 방전에 따른 음극재의 부피 변화를 수용하고 스트레스(응력)에 효율적으로 대응할 수 있다.When a negative electrode and a secondary battery are manufactured using the binder composition for a negative electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention, the adhesion of the binder to the surface of the silicon negative electrode is excellent, and the ionic conductivity is also improved, so that the electrochemical stability and mechanical properties of the electrode are improved. It can accommodate the volume change of the negative electrode material according to the charging and discharging of the secondary battery and respond efficiently to stress (stress).
[화학식 1][Formula 1]
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3][Formula 3]
상기 화학식 1 내지 3에서In Formulas 1 to 3
상기 l, m, x는 각각 1이상의 정수이며,Wherein l, m, x are each an integer of 1 or more,
상기 R1 내지 R3, R5 내지 R7은 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 9인 알킬기 또는 -OH기이며,Wherein R 1 to R 3 , R 5 to R 7 are each independently hydrogen, an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms or an -OH group,
상기 R9 내지 R12는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 9인 알킬기, -OH기 또는 다관능성 알코올기이되, 적어도 어느 하나 이상은 OH기 또는 다관능성 알코올기이며,Wherein R 9 to R 12 are each independently hydrogen, an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms, -OH group, or a polyfunctional alcohol group, but at least one or more is an OH group or a polyfunctional alcohol group,
상기 R4및 R8는 각각 독립적으로 C=O(탄소-산소 이중결합) 또는 탄소수 1 내지 9인 아릴렌기 또는 알킬렌기이다.The R 4 and R 8 is each independently C=O (carbon-oxygen double bond) or an arylene group or an alkylene group having 1 to 9 carbon atoms.
상기 화학식 1은 하이드록시기 또는 카르복실기를 가지고 있기 때문에, 상기 화학식 1을 포함하는 제1공중합체는 후술할 화학식 3 또는 화학식 4의 다관능성 알코올기와 반응하여 수소-산소 결합을 통해 연결될 수 있다. 이에 따라 상기 화학식 1은 수소-산소 상호작용이 가능한 다량의 하이드록시를 가질 수 있으며 보다 구체적으로 상기 화학식 1은 하기 화학식 1-1로 표현되는 화합물일 수 있다.Since Chemical Formula 1 has a hydroxyl group or a carboxyl group, the first copolymer containing Chemical Formula 1 may react with a polyfunctional alcohol group of Chemical Formula 3 or Chemical Formula 4 to be described later, and may be linked through a hydrogen-oxygen bond. Accordingly, Formula 1 may have a large amount of hydroxyl capable of hydrogen-oxygen interaction, and more specifically, Formula 1 may be a compound represented by Formula 1-1 below.
[화학식 1-1][Formula 1-1]
상기 화학식 1-1에서, n은 1 이상의 정수이다.In Formula 1-1, n is an integer of 1 or greater.
즉 상기 화학식 1-1는 다량의 하이드록시기 또는 카르복실기를 가질 수 있기 때문에 상기 화학식 1-1을 포함하는 제1공중합체는 후술할 화학식 3 또는 화학식 4의 하이드록시기 또는 다관능성 알코올기와 수소-산소 결합을 통해 연결될 수 있다.That is, since Chemical Formula 1-1 may have a large amount of hydroxyl or carboxyl groups, the first copolymer containing Chemical Formula 1-1 may have a hydroxyl group or polyfunctional alcohol group of Chemical Formula 3 or Chemical Formula 4 described later and hydrogen- They can be linked through oxygen bonds.
다음, 상기 화학식 2는 아민기 또는 아마이드기를 가지고 있기 때문에, 상기 화학식 2를 포함하는 제1공중합체는 후술할 화학식 3 또는 화학식 4의 하이드록시기 또는 다관능성 알코올기와 반응하여 수소-산소 결합을 통해 연결될 수 있다. 이에 따라 상기 화학식 2는 수소-산소 상호작용이 가능한 다량의 아민기 또는 아마이드 작용기를 가질 수 있으며 보다 구체적으로 상기 화학식 2는 하기 화학식 2-1 또는 표현되는 화합물일 수 있다.Next, since Formula 2 has an amine group or an amide group, the first copolymer containing Formula 2 reacts with a hydroxy group or polyfunctional alcohol group of Formula 3 or Formula 4 to be described later through a hydrogen-oxygen bond. can be connected Accordingly, Chemical Formula 2 may have a large amount of amine groups or amide functional groups capable of hydrogen-oxygen interaction, and more specifically, Chemical Formula 2 may be a compound represented by Chemical Formula 2-1 below.
[화학식 2-1][Formula 2-1]
상기 화학식 2-1에서 n은 1 이상의 정수이다.In Formula 2-1, n is an integer of 1 or greater.
즉 상기 화학식 2-1은 다량의 아마이드기를 가질수 있기 때문에 상기 화학식 2-1을 포함하는 제1공중합체는 후술할 화학식 3 또는 화학식 4의 하이드록시기 또는 다관능성 알코올기와 수소-산소 결합을 통해 연결될 수 있다.That is, since Chemical Formula 2-1 may have a large amount of amide groups, the first copolymer containing Chemical Formula 2-1 may be linked to a hydroxy group or polyfunctional alcohol group of Chemical Formula 3 or Chemical Formula 4 to be described later through a hydrogen-oxygen bond. can
다음, 상기 화학식 3은 적어도 어느 하나 이상의 -OH기 또는 다관능성 알코올기를 가지고 있기 때문에, 상술한 화학식 1, 2를 포함하는 제1공중합체의 하이드록시기 및 카르복실기 또는 아민기 및 아마이드기와 수소-산소 결합을 통해 연결될 수 있다. 이에 따라 상기 화학식 3은 수소-산소 상호작용이 가능한 다량의 -OH기 또는 다관능성 알코올기를 가질 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 화학식 3는 하기 화학식 3-1로 표현되는 화합물일 수 있다.Next, since Formula 3 has at least one -OH group or polyfunctional alcohol group, the hydroxy group and carboxyl group or amine group and amide group of the first copolymer including Formulas 1 and 2 described above and hydrogen-oxygen can be connected through bonding. Accordingly, Chemical Formula 3 may have a large amount of -OH groups or polyfunctional alcohol groups capable of hydrogen-oxygen interaction, and more specifically, Chemical Formula 3 may be a compound represented by Chemical Formula 3-1 below.
[화학식 3-1][Formula 3-1]
상기 화학식 3-1에서 n은 1 이상의 정수이다.In Formula 3-1, n is an integer of 1 or greater.
한편, 상기 화학식 1, 화학식 2로 표시되는 구조 또는 이들의 조합으로 표시되는 구조를 포함하는 제1공중합체는 하기 화학식 4로 표시되는 화합물일 수 있다.Meanwhile, the first copolymer including a structure represented by Formula 1 or Formula 2 or a combination thereof may be a compound represented by Formula 4 below.
[화학식 4][Formula 4]
상기 화학식 4에서,In Formula 4,
n은 1 이상의 정수이고,n is an integer greater than or equal to 1;
R13 및 R16은 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 9인 알킬기 또는 -OH이며, R 13 and R 16 are each independently hydrogen, an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms, or -OH;
R15는 탄소수 1 내지 9인 알킬렌기이며,R 15 is an alkylene group having 1 to 9 carbon atoms;
R14 및 R17은 각각 독립적으로 C=O(탄소-산소 이중결합), 탄소수 1 내지 9인 아릴렌기 또는 알킬렌기이다.R 14 and R 17 are each independently C=O (carbon-oxygen double bond), an arylene group or an alkylene group having 1 to 9 carbon atoms.
이때 상기 화학식 4는 수소-산소 상호작용이 가능한 다량의 아민기, 아마이드기, 하이드록시기 또는 카르복실기를 가질 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 화학식 4는 하기 화학식 4-1로 표현되는 화합물일 수 있다.In this case, Formula 4 may have a large amount of an amine group, an amide group, a hydroxyl group, or a carboxyl group capable of hydrogen-oxygen interaction, and more specifically, Formula 4 may be a compound represented by Formula 4-1 below.
[화학식 4-1][Formula 4-1]
상기 화학식 4에서 n 및 m 은 각각 1 이상의 정수이다.In Formula 4, n and m are each an integer of 1 or greater.
즉 상기 화학식 4-1의 경우 아마이드기와 하이드록시기기를 동시에 가지고 있기 때문에 상기 화학식 4-1을 포함하는 제1공중합체와 상기 화학식 3을 포함하는 제2공중합체는 수소-산소 결합이 보다 용이할 수 있다. 즉 본 발명에 따른 리튬 이차전지 음극재 바인더 조성물은 상기 제1공중합체의 하이드록시기 또는 아민기 또는 아마이드기 중 적어도 일부와 상기 제2공중합체에 포함되는 다관능성 알코올기가 결합된 구조를 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 제1공중합체와 상기 제2공중합체의 적어도 일부가 수소-산소 결합을 통해 연결되어 있을 수 있다.That is, since Formula 4-1 has an amide group and a hydroxyl group at the same time, hydrogen-oxygen bonding is easier between the first copolymer including Formula 4-1 and the second copolymer including Formula 3 can That is, the lithium secondary battery negative electrode material binder composition according to the present invention may include a structure in which at least a part of the hydroxy group, amine group, or amide group of the first copolymer and the polyfunctional alcohol group included in the second copolymer are bonded. More specifically, at least a portion of the first copolymer and the second copolymer may be connected through a hydrogen-oxygen bond.
이와 같이 상기 화학식 1, 2로 표시되거나 이들의 조합을 포함하는 제1공중합체 및 상기 화학식 3으로 표시되는 제2공중합체가 랜덤 공중합체를 구성하여 수소-산소 반응을 통해 결합될 수 있기 때문에, 이를 포함하는 음극재용 바인더 조성물을 사용하여 바인더 제조시 음극 표면과 도전체 및 활물질 간의 접착력이 향상되어 실리콘 소재 물질의 부피팽창에 대응력이 향상될 수 있다.As such, since the first copolymer represented by Chemical Formulas 1 and 2 or a combination thereof and the second copolymer represented by Chemical Formula 3 constitute a random copolymer and can be bonded through a hydrogen-oxygen reaction, When a binder is prepared using a binder composition for an anode material including the same, adhesion between the surface of the anode and the conductor and the active material is improved, so that the ability to respond to the volume expansion of the silicon material can be improved.
이를 위해 중량평균 분자량이 100,000 내지 750,000 제1공중합체를 사용할 수 있다. 이때 만일 상기 제1공중합체의 중량평균 분자량이 100,000 미만일 경우, 충분한 접착력을 나타내기 어려운 문제가 있을 수 있고, 또한 만일 상기 제1공중합체의 중량평균 분자량이 750,000을 초과하는 경우 충분히 교반되지 않거나 이물질로 남아 악영향을 미칠 수 있다.To this end, a first copolymer having a weight average molecular weight of 100,000 to 750,000 may be used. At this time, if the weight average molecular weight of the first copolymer is less than 100,000, it may be difficult to show sufficient adhesive strength, and if the weight average molecular weight of the first copolymer exceeds 750,000, it may not be sufficiently stirred or foreign substances may be present. remain and may have adverse effects.
또한 상기 제2공중합체도 중량평균 분자량이 250,000 내지 1,000,000 일 수 있다. 이때 만일 상기 제2공중합체의 중량평균 분자량이 250,000 미만일 경우, 충분한 접착력을 나타내기 어려운 문제가 있을 수 있고, 또한 만일 상기 제2공중합체의 중량평균 분자량이 1,000,000를 초과하는 경우 충분히 교반되지 않거나 이물질로 남아 악영향을 미칠 수 있다.In addition, the second copolymer may also have a weight average molecular weight of 250,000 to 1,000,000. At this time, if the weight average molecular weight of the second copolymer is less than 250,000, it may be difficult to show sufficient adhesive strength, and if the weight average molecular weight of the second copolymer exceeds 1,000,000, it may not be sufficiently stirred or foreign substances may be present. remain and may have adverse effects.
한편, 본 발명이 목적하는 음극재용 바인더 조성물이 실리콘 소재의 부피팽창을 충분히 억제하기 위해서는 상기 제1공중합체의 함량(a) 및 상기 제2공중합체의 함량(b) 비율(b/a)는 0.6 이하일 수 있다. 이때 만일 상기 제1공중합체의 함량(a) 및 상기 제2공중합체의 함량(b) 비율(b/a)이 0.6을 초과하는 경우 제2공중합체의 함량이 너무 많아져서 충분히 교반되지 않거나 이물질로 남아 악영향을 미칠 수 있다.On the other hand, in order for the binder composition for an anode material of the present invention to sufficiently suppress the volume expansion of the silicon material, the ratio (b / a) of the content (a) of the first copolymer and the content (b) of the second copolymer is It may be 0.6 or less. At this time, if the ratio (b / a) of the content (a) of the first copolymer and the content (b) of the second copolymer exceeds 0.6, the content of the second copolymer is too large, so that it is not sufficiently stirred or foreign matter remain and may have adverse effects.
또한 본 발명에 따른 리튬 이차전지 음극재 바인더 조성물은 용매 잔량을 더 포함할 수 있으며 본 발명의 목적에 부합하는 통상적인 공지의 용매가 사용될 수 있다. In addition, the lithium secondary battery negative electrode material binder composition according to the present invention may further include a residual amount of solvent, and a conventionally known solvent that meets the purpose of the present invention may be used.
상기 본 발명에 따른 리튬 이차 전지의 음극재 바인더 조성물이 음극재 및 집전체와 함께 도포 및 건조되어 상기 조성물의 건조물이 바인더가 될 수 있으며, 본 발명에 따른 음극재 바인더는 실리콘계 음극재를 사용하는 경우, 전지의 충전 및 방전에 따라 음극재의 부피가 변화하여 발생하는 스트레스를 효과적으로 수용할 수 있고 우수한 전기전도도를 가지므로 전지의 출력, 최초 용량 및 사이클 수명이 우수한 장점이 있다.The negative electrode material binder composition of the lithium secondary battery according to the present invention is applied and dried together with the negative electrode material and the current collector, and the dried product of the composition can become a binder, and the negative electrode material binder according to the present invention uses a silicon-based negative electrode material. In this case, it can effectively accommodate the stress caused by the volume of the negative electrode material changing according to the charging and discharging of the battery and has excellent electrical conductivity, so the battery has excellent output, initial capacity and cycle life.
2. 리튬 이차 전지용 음극재2. Anode materials for lithium secondary batteries
본 발명은 또한, 상기 리튬 이차 전지 음극재 바인더 조성물과 함께, 실리콘(Si) 활물질 및 집전체를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극재를 제공한다.The present invention also provides a negative electrode material for a lithium secondary battery including a silicon (Si) active material and a current collector together with the lithium secondary battery negative electrode material binder composition.
본 발명에 따른 음극재는 실리콘 활물질이 충방전 시 수축/팽창하여 부피가 변화하지만, 상기 음극재 바인더 조성물이 음극 표면-도전제/활물질 간과의 접착력, Si 부피팽창 대응력이 향상되어 전극의 전기화학적 안정성 및 기계적 안정성이 크게 향상되기 때문에, 실리콘 음극을 활용하여 증대된 에너지 밀도를 갖는 고성능의 전지를 긴 수명으로 사용할 수 있게 되는 장점이 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 음극재는 상기 음극재 바인더와 상기 실리콘 활물질을 1:1 내지 1:15의 중량비로 포함될 수 있다.In the negative electrode material according to the present invention, the volume changes due to the contraction/expansion of the silicon active material during charging and discharging, but the negative electrode material binder composition improves the adhesion between the negative electrode surface-conductor/active material and the ability to respond to volume expansion of Si, resulting in electrochemical stability of the electrode. And since the mechanical stability is greatly improved, there is an advantage in that a high-performance battery having an increased energy density can be used with a long lifespan by utilizing a silicon negative electrode. Accordingly, the negative electrode material according to the present invention may include the negative electrode material binder and the silicon active material in a weight ratio of 1:1 to 1:15.
3. 리튬 이차 전지3. Lithium secondary battery
또한, 본 발명은 양극, 전해질(또는 분리막 포함) 및 본 발명에 따른 음극을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a lithium secondary battery including a positive electrode, an electrolyte (or including a separator), and a negative electrode according to the present invention.
상기 리튬 이차 전지는 당 기술 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 양극 및 전해질은 리튬 이차 전지(리튬 이온 전지)에 일반적으로 사용되는 것으로 통상의 기술자가 전지의 용도에 맞게 선택하여 사용할 수 있다.The lithium secondary battery may be manufactured according to a conventional method known in the art. A positive electrode and an electrolyte are generally used in a lithium secondary battery (lithium ion battery) and can be selected and used by a person skilled in the art according to the purpose of the battery.
이하에서는 구체적인 실시예들을 들어 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 권리 범위가 이하의 실시예로 제한되는 것은 아니며, 통상의 기술자는 청구범위에 기재된 내용으로부터 본 발명의 구성을 치환 또는 부가하여 본 발명의 기술적 사상 범위 내에서 용이하게 변경 실시할 수 있을 것이다.Hereinafter, the configuration and effects of the present invention will be described in more detail with reference to specific embodiments. However, the scope of rights of the present invention is not limited to the following embodiments, and a person skilled in the art can easily change and implement within the scope of the technical idea of the present invention by substituting or adding the configuration of the present invention from the contents described in the claims. You will be able to.
실시예 1: 음극재 바인더 조성물의 제조Example 1: Preparation of negative electrode material binder composition
10g의 Sorbitol을 상온에서 물 80g에 투입하여 교반해 용해시킨 후 다시 Poly(acrylic acid) 10g을 75℃에서 24시간 교반하여 리튬 이차 전지의 음극재 바인더 조성물을 수득하였다.10 g of Sorbitol was dissolved by stirring in 80 g of water at room temperature, and then 10 g of Poly(acrylic acid) was stirred at 75° C. for 24 hours to obtain an anode material binder composition for a lithium secondary battery.
실시예 2: 음극재 바인더 조성물의 제조Example 2: Preparation of negative electrode material binder composition
실시예 1과 동일하게 실시하되, Poly(acrylic acid) 10g 대신 Polyacrylamide 10g을 사용하여 리튬 이차 전지의 음극재 바인더 조성물을 수득하였다.In the same manner as in Example 1, but using 10 g of polyacrylamide instead of 10 g of poly(acrylic acid), a negative electrode material binder composition for a lithium secondary battery was obtained.
비교예 1: 음극재 바인더 조성물의 제조Comparative Example 1: Preparation of negative electrode material binder composition
상온에서 물 80g에 투입하여 교반해 용해시킨 후 다시 Poly(acrylic acid) 20g을 75℃에서 24시간 교반하여 리튬 이차 전지의 음극재 바인더 조성물을 수득하였다. After stirring and dissolving in 80 g of water at room temperature, 20 g of poly(acrylic acid) was stirred at 75° C. for 24 hours to obtain a negative electrode material binder composition for a lithium secondary battery.
실험예 1: 이차 전지 초기 효율 측정 (반쪽전지, half-cell)Experimental Example 1: Measurement of initial efficiency of secondary battery (half-cell)
실시예 및 비교예에서 얻어진 음극재 바인더 조성물을 Si계 화합물(MKE전자) 75 중량%, 카본블랙 Super-P(IMERYS GRAPHITE 社) 10 중량%, 그리고 하기 표 1에 따른 바인더 조성물 10 중량%를 물에 첨가하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 구리 호일에 도포 및 건조하고 압연하여 음극을 제조하였다. 상기 음극의 대극으로는 1,000㎛ 두께의 리튬 금속을 사용하였다. 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸 카보네이트(DEC) 1:1 혼합용제에 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC)를 3중량 % 가 혼합된 용매에 1.0M의 LiPF6를 첨가한 전해액(PuriEL社)을 사용하였다.The anode material binder composition obtained in Examples and Comparative Examples was prepared by adding 75 wt% of a Si-based compound (MKE Electronics), 10 wt% of carbon black Super-P (IMERYS GRAPHITE Co.), and 10 wt% of a binder composition according to Table 1 below to water was added to prepare a slurry. The slurry was coated on a copper foil, dried, and rolled to prepare a negative electrode. Lithium metal having a thickness of 1,000 μm was used as the counter electrode of the anode. An electrolyte solution (PuriEL Co.) was used in which 1.0 M LiPF6 was added to a solvent in which 3% by weight of fluoroethylene carbonate (FEC) was mixed with a 1:1 mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC).
상기 음극 및 이의 대극과 상기 전해액을 이용하여 반쪽 전지를 제작하였다.A half-cell was manufactured using the negative electrode, its counter electrode, and the electrolyte solution.
실시예 1, 2 및 비교예를 이용해 제작된 반쪽 전지를 0.1 C로 충방전 후 나타나는 충전 용량과 방전 용량을 측정하여 초기효율의 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 하기 표 1에서 초기 효율(%)은 충전 용량 대비 방전용량의 백분율로 계산된다.After charging and discharging the half cells manufactured using Examples 1 and 2 and Comparative Example at 0.1 C, the charge capacity and discharge capacity were measured, and the initial efficiency results are shown in Table 1 below. In Table 1 below, the initial efficiency (%) is calculated as a percentage of the discharge capacity to the charge capacity.
실험예 2: 이차 전지 충방전 효율 측정Experimental Example 2: Measurement of secondary battery charge/discharge efficiency
실험예 1과 동일한 방법으로 실시예 및 비교예에 따른 리튬 이차 전지 음극재 바인더 조성물로부터 반쪽 전지(Half-cell)를 제조하였으며, 1C 조건으로 충방전한 사이클 50회 실시하여, 충방전 효율 특성 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 하기 표 1에서 충방전 효율(%)은 1 사이클시 방전 용량 대비 50 사이클 시 방전 용량의 백분율로 계산된다.A half-cell was prepared from the lithium secondary battery negative electrode material binder composition according to Examples and Comparative Examples in the same manner as in Experimental Example 1, and 50 charge and discharge cycles were performed under 1C conditions, resulting in charge and discharge efficiency characteristics are shown in Table 1 below. In Table 1 below, charge/discharge efficiency (%) is calculated as a percentage of discharge capacity at 50 cycles compared to discharge capacity at 1 cycle.
상기 실험 결과를 각각 하기 표 1에 나타내었다.The experimental results are shown in Table 1 below, respectively.
상기 표 1을 참고하면, Poly(acrylic acid)로 음극재 바인더 조성물을 제조한 비교예 1의 경우 초기 전지 효율 및 충방전 50 사이클 수행후의 효율이 현저하게 낮아진 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, in the case of Comparative Example 1 in which the negative electrode material binder composition was prepared with poly(acrylic acid), it can be seen that the initial battery efficiency and the efficiency after performing 50 charge/discharge cycles are significantly lowered.
이에 반하여 본 발명에 따른 음극재 바인더 조성물의 함량 범위를 만족하는 실시예 1 내지 2의 경우 초기 전지 효율 및 충방전 50 사이클 수행후의 효율이 비교예 1에 비하여 현저히 양호한 효율을 보이는 것을 확인할 수 있다.In contrast, in the case of Examples 1 and 2 satisfying the content range of the negative electrode material binder composition according to the present invention, it can be seen that the initial battery efficiency and the efficiency after 50 charge/discharge cycles are significantly better than those of Comparative Example 1.
Claims (12)
하기 화학식 3으로 표시되는 구조를 포함하는 제2공중합체; 를 포함하는 리튬 이차전지 음극재 바인더 조성물.
[화학식 1]
[화학식 2]
[화학식 3]
상기 화학식 1 내지 3에서
상기 l, m, x는 각각 1 이상의 정수이며,
상기 R1 내지 R3, R5 내지 R7은 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 9인 알킬기 또는 -OH기이며,
상기 R9 내지 R12는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 9인 알킬기, -OH기 또는 다관능성 알코올기이되, 적어도 어느 하나 이상은 OH기 또는 다관능성 알코올기이며,
상기 R4및 R8는 각각 독립적으로 C=O(탄소-산소 이중결합) 또는 탄소수 1 내지 9인 아릴렌기 또는 알킬렌기이다.
A first copolymer comprising a structure represented by Formula 1, Formula 2, or a combination thereof; and
A second copolymer comprising a structure represented by Formula 3 below; Lithium secondary battery negative electrode material binder composition comprising a.
[Formula 1]
[Formula 2]
[Formula 3]
In Formulas 1 to 3
wherein l, m, and x are each an integer of 1 or greater;
Wherein R 1 to R 3 , R 5 to R 7 are each independently hydrogen, an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms or an -OH group,
Wherein R 9 to R 12 are each independently hydrogen, an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms, -OH group, or a polyfunctional alcohol group, but at least one or more is an OH group or a polyfunctional alcohol group,
The R 4 and R 8 is each independently C=O (carbon-oxygen double bond) or an arylene group or an alkylene group having 1 to 9 carbon atoms.
상기 제1공중합체 및 제2공중합체는 랜덤 공중합체인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극재 바인더 조성물.
According to claim 1,
The first copolymer and the second copolymer is a lithium secondary battery negative electrode material binder composition, characterized in that the random copolymer.
상기 제1공중합체는 중량평균 분자량이 100,000 내지 750,000인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극재 바인더 조성물.
According to claim 1,
The first copolymer is a lithium secondary battery negative electrode material binder composition, characterized in that the weight average molecular weight of 100,000 to 750,000.
상기 제2공중합체는 중량평균 분자량이 250,000 내지 1,000,000 인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극재 바인더 조성물.
According to claim 1,
The second copolymer is a lithium secondary battery negative electrode material binder composition, characterized in that the weight average molecular weight of 250,000 to 1,000,000.
상기 제1공중합체의 함량(a) 및 상기 제2공중합체의 함량(b) 비율(b/a)는 0.6 이하인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극재 바인더 조성물.
According to claim 1,
Lithium secondary battery negative electrode material binder composition, characterized in that the ratio (b / a) of the content (a) of the first copolymer and the content (b) of the second copolymer is 0.6 or less.
상기 화학식 1, 화학식 2로 표시되는 구조 또는 이들의 조합으로 표시되는 구조를 포함하는 제1공중합체는 하기 화학식 4로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극재 바인더 조성물.
[화학식 4]
상기 화학식 4에서,
n은 1 이상의 정수이며,
R13 및 R16은 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 9인 알킬기 또는 -OH이며,
R15는 탄소수 1 내지 9인 알킬렌기이며,
R14 및 R17은 각각 독립적으로 C=O(탄소-산소 이중결합), 탄소수 1 내지 9인 아릴렌기 또는 알킬렌기이다.
According to claim 1,
A lithium secondary battery negative electrode material binder composition, characterized in that the first copolymer comprising a structure represented by the formula (1), formula (2) or a combination thereof is a compound represented by the following formula (4).
[Formula 4]
In Formula 4,
n is an integer greater than or equal to 1;
R 13 and R 16 are each independently hydrogen, an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms, or -OH;
R 15 is an alkylene group having 1 to 9 carbon atoms;
R 14 and R 17 are each independently C=O (carbon-oxygen double bond), an arylene group or an alkylene group having 1 to 9 carbon atoms.
상기 제1공중합체의 하이드록시기, 아민기 중 적어도 일부와 상기 제2공중합체에 포함되는 -OH기 또는 다관능성 알코올기가 결합된 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극재 바인더 조성물.
According to claim 6,
A lithium secondary battery negative electrode material binder composition comprising a structure in which at least some of the hydroxy group and amine group of the first copolymer and the -OH group or polyfunctional alcohol group contained in the second copolymer are bonded.
상기 제1공중합체와 상기 제2공중합체의 적어도 일부가 수소-산소 결합을 통해 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 음극재 바인더 조성물.
According to claim 6,
Lithium secondary battery negative electrode material binder composition, characterized in that at least a portion of the first copolymer and the second copolymer are connected through a hydrogen-oxygen bond.
A lithium secondary battery negative electrode material binder comprising the lithium secondary battery negative electrode material binder composition according to any one of claims 1 to 8.
집전체; 및
제9항에 따른 리튬 이차전지 음극재 바인더를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극재.
silicon (Si) active material;
current collector; and
An anode material for a lithium secondary battery comprising the lithium secondary battery anode material binder according to claim 9.
상기 음극재는 상기 음극재 바인더와 상기 실리콘 활물질을 1:1 내지 1:15의 중량비로 포함하는 리튬 이차 전지용 음극재.
According to claim 10,
The negative electrode material for a lithium secondary battery comprising the negative electrode material binder and the silicon active material in a weight ratio of 1: 1 to 1: 15.
A negative electrode formed from the negative electrode material according to claim 11; a cathode containing lithium oxide; and a lithium secondary battery comprising an electrolyte.
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