KR20240061126A - An aqueous binder for silicon-based anode materials and its manufacturing method - Google Patents

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KR20240061126A
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이원민
이병섭
심종길
류동석
정은비
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주식회사 지엘켐
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Abstract

본 발명은 실리콘 음극 소재용 고분자 가교바인더를 제공한다.
본 발명은 바인더로 쓰이는 합성고무에 아크릴산을 그래프트시킨 음극용 고분자 바인더에 관한 것으로, 실리콘이 포함된 음극 소재의 결착력을 강화하여 기계적 특성을 개선하여 리튬 이온 이차 전지의 성능을 향상시키고, 3차원의 고분자 네트워크를 형성함으로써 다중접촉을 통해 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있는 음극용 고분자 바인더를 제조할 수 있다.
The present invention provides a polymer crosslinking binder for silicon anode materials.
The present invention relates to a polymer binder for negative electrodes in which acrylic acid is grafted onto synthetic rubber used as a binder. It improves the performance of lithium-ion secondary batteries by strengthening the binding force of negative electrode materials containing silicon, improving mechanical properties, and improving the performance of lithium-ion secondary batteries. By forming a polymer network, it is possible to manufacture a polymer binder for a negative electrode that can improve electrochemical performance through multiple contacts.

Description

실리콘계 음극소재를 위한 수계 바인더 및 그 제조 방법 {An aqueous binder for silicon-based anode materials and its manufacturing method}An aqueous binder for silicon-based anode materials and its manufacturing method}

본 발명은 실리콘계 음극소재에 사용시 분산성이 양호하고 접착력이 우수한 수계 바인더 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a water-based binder that has good dispersibility and excellent adhesion when used in silicon-based anode materials, and a method for manufacturing the same.

실리콘은 현재 주요 음극재인 흑연에 비해 10 배 이상의 용량을 갖고 있으나, 리튬이온의 층간삽입-탈리 반응을 이용한 탄소계 음극 소재와는 달리, 실리콘계 음극 소재는 리튬과의 합금 반응에 의한 충-방전 메커니즘으로 인하여 300% 이상에 달하는 부피 팽창의 문제점을 나타내어 음극활물질이 집전체로부터 탈리되거나, 전극내 발생하는 크랙으로 인하여 음극 활물질간 저항 증가를 유발하며 충방전이 진행됨에 따라 전극의 용량이 급격히 저하되어 심각한 전기화학 성능의 저하를 야기한다. Silicon has a capacity more than 10 times that of graphite, the current main anode material. However, unlike carbon-based anode materials that use the intercalation-deintercalation reaction of lithium ions, silicon-based anode materials use a charge-discharge mechanism through an alloy reaction with lithium. This causes the problem of volume expansion of more than 300%, causing the negative electrode active material to be detached from the current collector, or cracks occurring within the electrode, causing an increase in resistance between negative electrode active materials, and as charging and discharging progresses, the capacity of the electrode rapidly decreases. It causes serious degradation of electrochemical performance.

리튬이온전지 소재 중에서 고분자 소재의 역할이 더욱 중요해지고 있는 분야가 전극 바인더이다. 바인더는 수~수십 마이크로미터의 전극활물질과 수십 나노미터의 전기 도전재를 결착시키고, 전극 코팅층이 금속집전체와 잘 붙어 있도록 도와준다. 특히, 전지의 에너지 밀도를 향상시키기 위해 전극 코팅층의 두께와 밀도를 계속해서 높이고 있으며, 그에 따른 고분자 바인더의 역할이 더욱 중요해지고 있다. Among lithium-ion battery materials, an area in which the role of polymer materials is becoming more important is electrode binder. The binder binds electrode active materials of several to tens of micrometers and electrically conductive materials of tens of nanometers, and helps the electrode coating layer adhere well to the metal current collector. In particular, in order to improve the energy density of batteries, the thickness and density of the electrode coating layer are continuously increased, and the role of the polymer binder is becoming more important.

현재까지는 비수계 바인더인 폴리비닐리덴 플루오라이드 (Polyvinylidene fluoride[PVDF])와 수계 바인더인 스티렌-부타디엔 고무 (Styrene-butadiene rubber[SBR])/카르복시메틸 셀룰로오스 (Carboxymethyl cellulose[CMC])에멀젼이 가장 일반적으로 사용되고 있다. 하지만 실리콘과 같은 부피 변화가 심한 전극 활물질의 사용에 있어서는 상기 언급한 기존의 바인더 등은 비교적 약한 접착력 때문에 적용하는 데에 한계가 있다. To date, polyvinylidene fluoride (PVDF), a non-aqueous binder, and styrene-butadiene rubber [SBR]/Carboxymethyl cellulose [CMC], an aqueous binder, are the most common emulsions. It is being used as. However, when using electrode active materials with large volume changes such as silicon, the existing binders mentioned above have limitations in application due to their relatively weak adhesion.

이차전지 연구개발은 고용량화와 고출력화 기술개발을 중점으로 실행되고 있으며, 고용량화 개발은 음극재의 하나인 실리콘을 기반으로 하는 비탄소계 음극재료에 집중되고 있다. Secondary battery research and development is focused on developing high-capacity and high-output technologies, and high-capacity development is focused on non-carbon anode materials based on silicon, one of the anode materials.

탄소계 음극재 수계바인더로는 스티렌-부타디엔 고무 (SBR)과 같이 증점제로 카르복시메틸 셀룰로오스 (CMC)가 사용되고 있다. 탄소계 음극재의 경우에는 전도성이 우수할 뿐 아니라, 충방전 시 부피변화가 크지 않아 스티렌-부타디엔 고무 (SBR)/카르복시메틸 셀룰로오스 (CMC) 바인더를 사용하는 데에 문제가 없다.As a water-based binder for carbon-based anode materials, carboxymethyl cellulose (CMC) is used as a thickener, as well as styrene-butadiene rubber (SBR). In the case of carbon-based anode materials, not only are they excellent in conductivity, but there is no significant change in volume during charging and discharging, so there is no problem in using styrene-butadiene rubber (SBR)/carboxymethyl cellulose (CMC) binder.

그러나 실리콘 소재와 같은 고용량 음극소재의 경우 충방전 시 부피변화가 300% 이상으로 매우 크기 때문에 전극접착력이 음극성능에 중요한 요소가 되고, 바인더의 종류에 따라서 음극의 성능을 향상시킬 수 있다. 실리콘 소재 음극에 스티렌-부타디엔 고무 (SBR)/카르복시메틸 셀룰로오스 (CMC) 나 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF)바인더를 적용할 경우, 약한 접착력으로 인하여 과량을 사용하게 되고, 이러한 경우 전도성이 낮아지고 집전체와 활물질층 사이의 박리가 발생하며 사이클수명이 크게 저하되는 현상이 발생되고 있다. However, in the case of high-capacity cathode materials such as silicon materials, the volume change during charging and discharging is very large, exceeding 300%, so electrode adhesion becomes an important factor in cathode performance, and cathode performance can be improved depending on the type of binder. When applying styrene-butadiene rubber (SBR)/carboxymethyl cellulose (CMC) or polyvinylidene fluoride (PVDF) binder to a silicon material cathode, excessive amounts are used due to weak adhesion, and in this case, conductivity is lowered and Delamination occurs between the entire body and the active material layer, causing a significant decrease in cycle life.

실리콘 고용량 음극재는 기존 탄소 계열 음극재 대비 비용량값이 매우 크다는 장점이 있지만, 그만큼 충방전이 진행됨에 따른 부피변화도 심각하다는 치명적인 단점이 있기 때문에, 이를 해결하기 위해서 바인더는 전극 입자들을 효과적으로 결착시켜야 한다. Silicone high-capacity anode materials have the advantage of having a very large specific capacity value compared to existing carbon-based anode materials, but they also have the fatal disadvantage of serious volume changes as charging and discharging progress. To solve this, the binder must effectively bind the electrode particles. do.

폴리아크릴산 (Polyacrylic acid[PAA]) 바인더를 적용하면 우수한 결착 특성과 부피 팽창에 견딜 수 있는 강도를 보유하고 있기 때문에 수명이 개선되며, 소결 온도가 낮아 공정성이 좋다는 장점이 있다. 그러나 폴리아크릴산 (PAA)은 슬러리 제조 시 활물질과 도전재가 쉽게 침강되어 균일한 전극밀도를 구현하기 어렵다. 이러한 점이 폴리아크릴산 (PAA)을 실리콘 음극재에 광범위하게 적용하는데 있어 걸림돌로 작용하고 있다.Applying a polyacrylic acid (PAA) binder improves lifespan because it has excellent binding properties and strength to withstand volume expansion, and has the advantage of good processability due to the low sintering temperature. However, polyacrylic acid (PAA) is difficult to achieve uniform electrode density because the active material and conductive material easily precipitate during slurry production. This is acting as an obstacle to the widespread application of polyacrylic acid (PAA) to silicon anode materials.

이를 해결하기 위해서는 활물질 입자를 나노 수준으로 제어함과 동시에 바인더가 전극 입자들을 효과적으로 결착시켜야 한다. 따라서 부피팽창이 큰 실리콘 음극소재의 수명 특성 및 고용량을 가능하게 할 수 있는 고접착 및 고안정성 바인더 개발이 필요한 실정이다. To solve this problem, the active material particles must be controlled at the nano level while the binder must effectively bind the electrode particles. Therefore, there is a need to develop a high-adhesion and high-stability binder that can enable the lifespan characteristics and high capacity of silicon anode materials with large volume expansion.

등록특허공보 제10-2147727호 (등록일: 2020. 08. 19) ;Registered Patent Publication No. 10-2147727 (registration date: 2020. 08. 19); 등록특허공보 제10-2321261호 (등록일: 2021. 10. 28.);Registered Patent Publication No. 10-2321261 (registration date: October 28, 2021); 등록특허공보 제10-2278996호 (등록일: 2021. 7. 13.);Registered Patent Publication No. 10-2278996 (registration date: July 13, 2021); 공개특허공보 제10-2021-25919호 (공개일: 2021. 03. 10.)Public Patent Publication No. 10-2021-25919 (Publication date: 2021. 03. 10.)

본 발명은, 종래의 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 실리콘 음극재에 사용될 경우에, 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 또는 니트릴-부타디엔 고무 (NBR)를 주원료로 하면서도 부피 팽창에 따른 강도를 보유하고 실리콘 음극소재의 수명 특성 및 고용량을 가능하게 할 수 있는 고접착 및 고안정성 바인더를 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention is intended to solve the problems of the prior art. When used in a silicon anode material, the present invention uses styrene-butadiene rubber (SBR) or nitrile-butadiene rubber (NBR) as the main raw material and retains strength according to volume expansion. The purpose is to provide a high-adhesion and high-stability binder that can enable the lifespan characteristics and high capacity of silicon anode materials.

본 발명은, 상기 문제를 해결하기 위하여, 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 또는 니트릴-부타디엔 고무 (NBR)에 특정한 고분자 단량체를 반응시켜서 상기 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 또는 니트릴-부타디엔 고무 (NBR)의 고분자사슬에 그 특정의 고분자 단량체를 가교결합시킴으로써, 실리콘 음극재의 부피 변화에 대응할 수 있고, 실리콘 음극재의 수명특성을 향상시킬 수 있는 실리콘 음극재용 수계 바인더 및 그 제조방법을 제공한다. In order to solve the above problem, the present invention reacts styrene-butadiene rubber (SBR) or nitrile-butadiene rubber (NBR) with a specific polymer monomer to produce the styrene-butadiene rubber (SBR) or nitrile-butadiene rubber (NBR). An aqueous binder for a silicon anode material that can respond to changes in volume of the silicon anode material and improve the lifespan characteristics of the silicon anode material by cross-linking a specific polymer monomer to the polymer chain and a method for manufacturing the same are provided.

본 발명에 의한 실리콘 음극재용 수계 바인더의 제조방법은, 실리콘 음극 소재의 고분자 바인더의 주원료로서 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 또는 니트릴-부타디엔 고무 (NBR)를 선택하고, 부원료로서 아크릴 단량체를 선택하여 준비하는 단계(S 210)와; 상기 주원료인 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 또는 니트릴-부타디엔 고무 (NBR) 단량체 1몰에 대하여 상기 아크릴 단량체 5몰 ~ 30몰을 투입하고, 반응 온도 60 ℃ ~ 95 ℃에서 1 시간 내지 4시간 동안 가교결합시키는 고분자 반응단계(S 220)와; 상기 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 또는 니트릴-부타디엔 고무 (NBR)의 고분자 사슬에 상기 아크릴 단량체가 가교결합되어 있는 실리콘 음극재용 수계 바인더의 완성단계(S 230); 를 포함하고 있다. The method for producing an aqueous binder for a silicon anode material according to the present invention is prepared by selecting styrene-butadiene rubber (SBR) or nitrile-butadiene rubber (NBR) as the main raw material of the polymer binder for the silicon anode material and selecting an acrylic monomer as a secondary raw material. Step (S 210) and; The acrylic monomer is added to 1 mole of the main raw material, styrene-butadiene rubber (SBR) or nitrile-butadiene rubber (NBR) monomer. A polymer reaction step (S 220) of adding 5 to 30 mol and crosslinking at a reaction temperature of 60°C to 95°C for 1 to 4 hours; Completing an aqueous binder for a silicone anode material in which the acrylic monomer is crosslinked to the polymer chain of the styrene-butadiene rubber (SBR) or nitrile-butadiene rubber (NBR) (S 230); It includes.

본 발명은 실리콘 음극 소재용 고분자 가교바인더에 관한 것으로, 스티렌-부타디엔 고무 (SBR)를 주원료로 사용하면서도, 스티렌-부타디엔 고무 바인더의 단점인 약한 결착력을 극복하여 강한 결착력을 제공하는 장점이 있다. The present invention relates to a polymer crosslinking binder for silicon anode materials. Although it uses styrene-butadiene rubber (SBR) as the main raw material, it has the advantage of providing strong bonding force by overcoming the weak bonding force, which is a disadvantage of styrene-butadiene rubber binder.

또한, 본 발명은 니트릴-부타디엔 고무 (NBR)를 주원료로 한 바인더를 사용하면서도 리튬 이차전지의 기계적 특성 및 사이클수명 특성을 더욱 향상시키게 되는 장점이 있다. In addition, the present invention has the advantage of further improving the mechanical properties and cycle life characteristics of lithium secondary batteries while using a binder based on nitrile-butadiene rubber (NBR).

또한, 본 발명은 니트릴-부타디엔 고무 (NBR)를 주원료로 사용할 경우, 기계적 특성과 사이클수명 특성을 향상시킬 뿐만 아니라, 전기적 성능도 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다. In addition, the present invention has the advantage of not only improving mechanical properties and cycle life characteristics, but also further improving electrical performance when nitrile-butadiene rubber (NBR) is used as the main raw material.

도 1a는 스티렌-부타디엔 고무 (SBR)의 고분자 사슬에 특정한 고분자 단량체가 가교반응을 일으키는 화학식을 나타낸 것이고,
도 1b는 니트릴-부타디엔 고무 (NBR)의 고분자 사슬에 특정한 고분자 단량체가 가교반응을 일으키는 화학식을 나타낸 것이며,
도 2는 고무 고분자 구조에 특정한 고분자 단량체가 가교 반응을 일으킴으로써 바인더의 3차원 고분자 네트워크 구조를 도식화한 것이고,
도 3은 비교예 및 본 발명의 실시예들에 의한 바인더를 이용하였을 경우, 실리콘 음극재 극판의 결착력 평가 결과를 나타낸 그래프이며,
도 4는 비교예 및 본 발명의 실시예들에 의한 바인더를 이용하였을 경우, 각각의 코인셀의 사이클수명 특성 결과를 나타낸 그래프이다.
Figure 1a shows the chemical formula in which a specific polymer monomer causes a crosslinking reaction in the polymer chain of styrene-butadiene rubber (SBR),
Figure 1b shows the chemical formula in which a specific polymer monomer causes a crosslinking reaction in the polymer chain of nitrile-butadiene rubber (NBR),
Figure 2 schematically illustrates the three-dimensional polymer network structure of the binder by causing a crosslinking reaction of a polymer monomer specific to the rubber polymer structure;
Figure 3 is a graph showing the results of evaluating the bonding strength of silicon negative electrode plates when using binders according to comparative examples and embodiments of the present invention;
Figure 4 is a graph showing the results of cycle life characteristics of each coin cell when using binders according to comparative examples and embodiments of the present invention.

이하, 본 발명을 더욱 구체적이고 상세하게 설명한다. 본 발명에서 제공되는 구체적인 수치 또는 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 실시 양태로서, 본 발명의 기술사상을 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아님은 명백하다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail and detail. It is clear that the specific numerical values or specific examples provided in the present invention are preferred embodiments of the present invention, and are only intended to explain the technical idea of the present invention in more detail, and the present invention is not limited thereto.

또한, 본 발명의 명세서에 있어서, 이 기술분야에서 공지된 것으로서 통상의 기술을 가진 자에 의해 용이하게 창작될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다. In addition, in the specification of the present invention, detailed description of parts that are known in the technical field and can be easily created by those skilled in the art will be omitted.

본 발명은 실리콘 음극 소재용 고분자 가교바인더의 제조방법을 제공한다. The present invention provides a method for manufacturing a polymer crosslinking binder for silicon anode materials.

본 발명은, 실리콘 음극 소재의 고분자 바인더의 주원료로서 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 또는 니트릴-부타디엔 고무 (NBR)를 선택하고, 부원료로서 아크릴 단량체를 선택하여 준비하는 단계(S 210)를 포함하고 있다. The present invention includes the step (S 210) of selecting styrene-butadiene rubber (SBR) or nitrile-butadiene rubber (NBR) as the main raw material of the polymer binder for the silicon anode material, and selecting and preparing an acrylic monomer as a secondary raw material. .

본 발명은 실리콘 음극 소재의 고분자 바인더의 주원료로서 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 또는 니트릴-부타디엔 고무 (NBR)를 선택한다. 이는 종래의 바인더 성분과 별반 차이가 없다. 그러나, 본 발명은 상기 주원료인 고무 고분자의 사슬에 상기 부원료 물질의 사슬을 가교결합시키는 점에 차이를 보여주고 있다. The present invention selects styrene-butadiene rubber (SBR) or nitrile-butadiene rubber (NBR) as the main raw material of the polymer binder of the silicon anode material. This is not much different from conventional binder ingredients. However, the present invention differs in that it crosslinks the chain of the secondary raw material to the chain of the rubber polymer, which is the main raw material.

본 발명은 부원료로서 아크릴 단량체를 선택한다. 이는 상기 아크릴 단량체를 고분자 결합시킬 경우, 상기 주원료인 고무의 고분자 사슬에 가교결합을 형성하도록 하기 위한 것이다. 상기 아크릴 단량체가 상기 고무의 고분자 사슬에 가교결합을 형성하게 될 경우, 상기 주원료인 고무분자의 사슬과 상기 부원료인 아크릴 분자가 가교 결합을 형성하여 전체적으로 그물망 구조를 형성하도록 하기 위한 것이다. 이 점에서, 본 발명은 폴리아크릴을 주원료 또는 부원료로 사용하고 있는 종래의 기술들과 큰 차이를 보여주고 있다. The present invention selects acrylic monomer as an auxiliary material. This is to form crosslinks in the polymer chain of the rubber, which is the main raw material, when the acrylic monomer is polymer bonded. When the acrylic monomer forms a cross-link to the polymer chain of the rubber, the chain of the rubber molecule, which is the main raw material, and the acrylic molecule, which is the secondary raw material, form cross-links to form an overall network structure. In this respect, the present invention shows a significant difference from conventional technologies that use polyacrylic as the main or secondary raw material.

본 발명은 상기 주원료인 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 또는 니트릴-부타디엔 고무 (NBR) 단량체 1몰에 대하여 상기 아크릴 단량체 5몰 ~ 30몰을 투입하고, 반응 온도 60 ℃ ~ 95 ℃에서 1시간 내지 3시간 동안 가교결합시키는 고분자 반응단계(S 220)를 포함하고 있다. In the present invention, 5 to 30 moles of the acrylic monomer are added to 1 mole of the main raw material, styrene-butadiene rubber (SBR) or nitrile-butadiene rubber (NBR) monomer, and the reaction is carried out at a reaction temperature of 60°C to 95°C for 1 to 3 hours. It includes a polymer reaction step (S 220) of crosslinking over time.

본 발명은 상기 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 또는 니트릴-부타디엔 고무 (NBR)를 주원료로 사용하되, 이를 그대로 사용하거나, 다른 바인더 성분과 혼련하거나 혼합하여 사용하는 것이 아니라, 상기 아크릴 단량체에 대한 주사슬 구조를 제공하기 위한 용도로 사용하는 것이다. 또한, 본 발명은 상기 아크릴 단량체를 부원료로 사용하되, 이를 그대로 사용하거나 단순히 그 자체 성분을 고분자화 시키는 것이 아니라, 상기 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 또는 니트릴-부타디엔 고무 (NBR)의 고분자 사슬 구조에 가교결합시킬 용도로 사용하는 것이다. The present invention uses the styrene-butadiene rubber (SBR) or nitrile-butadiene rubber (NBR) as the main raw material, but rather than using it as is or kneading or mixing it with other binder components, the main chain for the acrylic monomer It is used to provide structure. In addition, the present invention uses the acrylic monomer as a secondary raw material, but rather than using it as is or simply polymerizing the component itself, it is used in the polymer chain structure of the styrene-butadiene rubber (SBR) or nitrile-butadiene rubber (NBR). It is used for crosslinking.

본 발명은 상기 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 또는 니트릴-부타디엔 고무 (NBR) 단량체 1몰에 대하여 상기 아크릴 단량체 5몰 ~ 30몰을 투입하고 가교결합시킨다. 상기 아크릴 단량체의 몰수를 5배 이하로 사용할 경우, 그래프트된 PAA의 사슬이 비교적 짧아 3차원의 네트워크가 제대로 형성되지 않으므로 바람직스럽지 아니하고, 몰수를 30배 이상으로 사용할 경우, 그래프트된 PAA의 사슬이 너무 길어져 사슬들이 엉켜 바인더의 역할을 제대로 하지 못하므로 바람직스럽지 아니하다. 좀더 바람직하기로는 상기 고무 성분의 단량체 1몰에 대해 10 몰 내지 20 몰의 아크릴 단량체를 사용하는 것이 좋다. 가교 결합 반응은 60℃ 내지 95℃의 온도에서 1 시간 내지 4시간 동안 승온 하에 정량투입 조건에서 진행되어진다. 반응 개시제로는 persulfate계를 사용하는 것이 바람직하다. In the present invention, 5 to 30 moles of the acrylic monomer are added to 1 mole of the styrene-butadiene rubber (SBR) or nitrile-butadiene rubber (NBR) monomer and crosslinked. When the molar number of the acrylic monomer is 5 times or less, it is not preferable because the chains of the grafted PAA are relatively short and a three-dimensional network is not properly formed, and when the molar number of the acrylic monomer is used at 30 times or more, the grafted PAA chains are too long. It is undesirable because it becomes long and the chains become tangled and do not function properly as a binder. More preferably, it is good to use 10 to 20 moles of acrylic monomer per 1 mole of monomer of the rubber component. The cross-linking reaction is carried out at a temperature of 60°C to 95°C for 1 to 4 hours under elevated temperature and constant dosage conditions. It is preferable to use a persulfate-based reaction initiator.

도 1a는 상기 스티렌-부타디엔 고무 (SBR)에 대해 상기 아크릴 단량체를 가교결합시킬 경우에 대한 화학식을 개념적으로 보여주고 있다. 이 화학식에서, X, Y, Z는 각 세그먼트의 반복 결합된 숫자로서, 1 이상의 자연수를 나타내고 있으며, 별표(*)는 고분자 반응이 일어날 수 있는 부분을 나타내주고 있다. Figure 1a conceptually shows the chemical formula for crosslinking the acrylic monomer to the styrene-butadiene rubber (SBR). In this chemical formula,

도 1b는 상기 니트릴-부타디엔 고무 (NBR)에 대해 상기 아크릴 단량체를 가교결합시킬 경우에 대한 화학식을 개념적으로 보여주고 있다. 이 화학식에서, 역시 X, Y, Z는 각 세그먼트의 반복 결합된 숫자로서, 1 이상의 자연수를 나타내고 있으며, 별표(*)는 고분자 반응이 일어날 수 있는 부분을 나타내주고 있다. Figure 1b conceptually shows the chemical formula for crosslinking the acrylic monomer to the nitrile-butadiene rubber (NBR). In this chemical formula, again,

본 발명은 상기 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 또는 니트릴-부타디엔 고무 (NBR)의 고분자 사슬에 상기 아크릴 단량체가 가교결합되어 있는 실리콘 음극재용 수계 바인더의 완성단계(S 230)를 포함하고 있다. The present invention includes a step (S 230) of completing an aqueous binder for a silicone anode material in which the acrylic monomer is cross-linked to the polymer chain of styrene-butadiene rubber (SBR) or nitrile-butadiene rubber (NBR).

본 발명은 상기 고분자 반응단계(S 220)를 거친 이후, 고무 분자의 고분자 사슬 구조에 상기 아크릴 단량체가 가지 사슬을 형성하면서 결합되어 있는 가교결합을 형성하게 됨으로써, 전체적으로 그물망 구조의 고분자 사슬 구조를 완성하게 된다. In the present invention, after going through the polymer reaction step (S 220), a crosslink is formed in which the acrylic monomer is bonded to the polymer chain structure of the rubber molecule while forming a branch chain, thereby completing the overall network-structured polymer chain structure. I do it.

도 2는 본 발명에 의한 고분자 사슬구조와 그 사슬구조에 가교결합을 형성함으로써 주사슬에 가지사슬로 존재하는 아크릴 분자의 결합 상태를 개념적으로 보여주고 있다. Figure 2 conceptually shows the polymer chain structure according to the present invention and the bonding state of acrylic molecules that exist as branch chains in the main chain by forming crosslinks in the chain structure.

본 발명에 의한 이러한 그물망 구조의 고분자 사슬은 최소한 3가지의 기능을 부여하게 된다. 이는 아래와 같이 탄성체로서의 기능과, 결합체로서의 기능과, 수명 연장제로서의 기능을 포함하고 있다. 이를 좀더 구체적으로 설명하면, 그물망 구조에 존재하는 고분자 사슬의 이중 결합은 여전히 탄성체로서의 기능을 가지고 있어서, 실리콘 음극 소재의 팽창에 대해 유연하게 대처할 수 있도록 해주고, 한편 상기 아크릴 분자는 수성 용액 중에서 강력한 결착력 내지 결합력을 제공하는 결합체로서의 기능을 가지고 있어서, 반복되는 충전-방전 메커니즘에도 불구하고 음극활 물질이 집전체로부터 탈리되는 현상이나 전극 내에서 발생되는 크랙 현상을 방지할 수 있도록 해주며, 상기 고분자 사슬 및 상기 아크릴 분자로 인한 그물망 구조는 상기 탄성체로서의 기능과 상기 결합체로서의 기능을 배가시켜 주고, 그와 더불어 바인더 성분에 의한 실리콘 음극 소재의 수명 연장제로서의 기능을 발휘하게 해주는 것이다. The polymer chain having this network structure according to the present invention provides at least three functions. This includes the function as an elastic body, as a binder, and as a life extender, as shown below. To explain this in more detail, the double bonds of the polymer chains present in the network structure still function as an elastic body, allowing it to flexibly cope with the expansion of the silicon anode material, while the acrylic molecules have strong binding properties in aqueous solutions. It functions as a binder that provides bonding force, preventing the cathode active material from detaching from the current collector or cracking occurring within the electrode despite repeated charge-discharge mechanisms, and the polymer chain And the network structure due to the acrylic molecules doubles the function as the elastic body and the function as the binder, and in addition, it functions as a life extender of the silicon anode material by the binder component.

이하, 본 발명을 하기 실시예들에 의하여 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 어떤 의미로든 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through the following examples. However, the following examples are only intended to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these examples in any way.

< 제조예 1 >: 폴리아크릴산 (PAA) 바인더 제조 <Preparation Example 1>: Preparation of polyacrylic acid (PAA) binder

본 발명의 바인더와 그 성능을 비교하기 위하여, 기존에 사용되고 있는 폴리아크릴산 바인더를 아래와 같은 방식으로 제조하였다. In order to compare the binder of the present invention and its performance, a previously used polyacrylic acid binder was manufactured in the following manner.

반응기에 온도센서, 질소튜브, 드로핑펀넬 및 냉각기를 부착하여 준비하였다. 반응기에 증류수 80g과 개시제 1g을 넣고 온도를 80℃로 승온시킨 다음, 반응액을 천천히 교반하면서 아크릴산 10g과 증류수 10g 및 사슬이동제 0.1g을 혼합한 액체를 드로핑펀넬을 이용하여 천천히 투입하였다. 투입이 끝나면 3시간 교반한 뒤, 온도를 95℃로 승온하여 1시간 교반을 실시하여 폴리아크릴산 (PAA) 10% 용액을 제조하였다.The reactor was prepared by attaching a temperature sensor, nitrogen tube, dropping funnel, and cooler. 80 g of distilled water and 1 g of initiator were added to the reactor and the temperature was raised to 80°C. Then, while slowly stirring the reaction solution, a mixture of 10 g of acrylic acid, 10 g of distilled water, and 0.1 g of a chain transfer agent was slowly added using a dropping funnel. After the addition was completed, the mixture was stirred for 3 hours, then the temperature was raised to 95°C and stirred for 1 hour to prepare a 10% polyacrylic acid (PAA) solution.

< 제조예 2의 1 ~ 3 >: SBR-g-PAA 바인더 제조 <Preparation Example 2 1 to 3>: SBR-g - PAA binder production

본 발명에 의한 스티렌-부타디엔 고무 (SBR)를 기반으로 한 바인더의 성능을 측정하기 위하여, 아래와 같은 방식으로 제조하였다. In order to measure the performance of the binder based on styrene-butadiene rubber (SBR) according to the present invention, it was prepared in the following manner.

반응기에 온도센서, 질소튜브, 드로핑펀넬 및 냉각기를 부착하여 사용하였다. 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 고분자와 아크릴산 단량체의 반응 몰수를 계산하여 중량비를 기준으로 각각 투입하였다. A temperature sensor, nitrogen tube, dropping funnel, and cooler were attached to the reactor. The number of moles of reaction between styrene-butadiene rubber (SBR) polymer and acrylic acid monomer was calculated and added respectively based on weight ratio.

반응기에 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 분산액 500 g과 추가 증류수 100 g를 넣고 개시제 소듐 퍼설페이트(SPS) 1g을 넣었다. 반응 온도를 80℃로 승온시킨 다음, 반응액을 천천히 교반하면서 아크릴산과 증류수를 중량비 1:1로 혼합한 액체를 드로핑펀넬을 이용하여 천천히 투입하였다. 이때 아크릴산의 양은 각각 부타디엔 단량체 1몰에 대하여 각각 10 배; 20 배; 30 배로 투입하였고, 중량부로는 1.00; 1.98; 2.97 g이었다. 투입이 끝나고, 3시간 교반한 뒤, 온도를 95℃로 승온하여 1시간 교반을 실시하여 PAA-g-SBR 가교바인더를 각각 제조하였다.Styrene-butadiene rubber (SBR) dispersion in reactor 500 g and an additional 100 g of distilled water were added, and 1 g of initiator sodium persulfate (SPS) was added. The reaction temperature was raised to 80°C, and while the reaction solution was slowly stirred, a mixture of acrylic acid and distilled water at a weight ratio of 1:1 was slowly added using a dropping funnel. At this time, the amount of acrylic acid is 10 times each for 1 mole of butadiene monomer; 20 times; It was added 30 times, and the parts by weight were 1.00; 1.98; It was 2.97 g. After the addition was completed and stirred for 3 hours, the temperature was raised to 95°C and stirred for 1 hour to prepare PAA-g-SBR crosslinked binders.

< 제조예 3의 1 ~ 3 >: NBR-PAA 바인더 제조 <Preparation Example 3 1 to 3>: NBR-PAA binder production

본 발명에 의한 니트릴-부타디엔 고무 (NBR)를 기반으로 한 바인더의 성능을 측정하기 위하여, 아래와 같은 방식으로 제조하였다. In order to measure the performance of the binder based on nitrile-butadiene rubber (NBR) according to the present invention, it was prepared in the following manner.

반응기에 온도센서, 질소튜브, 드로핑펀넬 및 냉각기를 부착하여 사용하였다. 니트릴-부타디엔 고무 (NBR) 고분자와 아크릴산 단량체의 반응 몰수를 계산하여 중량비를 기준으로 각각 투입하였다. A temperature sensor, nitrogen tube, dropping funnel, and cooler were attached to the reactor. The number of moles of reaction between nitrile-butadiene rubber (NBR) polymer and acrylic acid monomer was calculated and added respectively based on weight ratio.

반응기에 니트릴-부타디엔 고무 (NBR) 분산액 500 g과 추가증류수 100 g를 넣고 개시제 소듐 퍼설페이트(SPS) 1g을 넣었다. 반응 온도를 80℃로 승온시킨 다음, 반응액을 천천히 교반하면서 아크릴산과 증류수를 중량비 1:1로 혼합한 액체를 드로핑펀넬을 이용하여 천천히 투입하였다. 이때 아크릴산의 양은 각각 부타디엔 단량체 1몰에 대하여 각각 10 배; 20 배; 30 배로 투입하였고, 중량부로는 0.77; 1.54; 2.32 g이었다. 투입이 끝나고, 3시간 교반한 뒤, 온도를 95℃로 승온하여 1시간 교반을 실시하여 PAA-g-NBR 가교바인더를 각각 제조하였다.Nitrile-butadiene rubber (NBR) dispersion in reactor 500 g and 100 g of additional distilled water were added, and 1 g of initiator sodium persulfate (SPS) was added. The reaction temperature was raised to 80°C, and while the reaction solution was slowly stirred, a mixture of acrylic acid and distilled water at a weight ratio of 1:1 was slowly added using a dropping funnel. At this time, the amount of acrylic acid is 10 times each for 1 mole of butadiene monomer; 20 times; It was added 30 times, and the weight part was 0.77; 1.54; It was 2.32 g. After the addition was completed and stirred for 3 hours, the temperature was raised to 95°C and stirred for 1 hour to prepare PAA-g-NBR crosslinked binders.

< 비교예 1 >: Si 음극의 제조 및 사용된 바인더 (제조예 1 바인더) <Comparative Example 1>: Preparation of Si anode and binder used (Preparation Example 1 binder)

본 발명의 바인더와 그 성능을 비교하기 위하여, 실리콘 음극 소재 및 기존의 폴리아크릴산 바인더를 아래와 같은 방식으로 준비하여 사용하였다. In order to compare the binder of the present invention and its performance, a silicon anode material and a conventional polyacrylic acid binder were prepared and used in the following manner.

음극 조성비는 활물질, 도전재 및 바인더를 중량비 95:2:3로 구성된다. 이때 사용된 음극 활물질은 SiC 및 흑연이었고, 도전재로는 상용으로 판매되는 카본블랙을 사용하였다. The cathode composition consists of active material, conductive material, and binder in a weight ratio of 95:2:3. The anode active materials used at this time were SiC and graphite, and commercially available carbon black was used as the conductive material.

바인더로는 제조예 1에서 제조한 폴리아크릴산 (PAA) 바인더와 1.5wt% CMC 수용액을 혼합하여 사용하였다.As a binder, a mixture of the polyacrylic acid (PAA) binder prepared in Preparation Example 1 and 1.5 wt% CMC aqueous solution was used.

전극제조는 활물질, 도전재 및 바인더를 Pre-mixing 및 Thinky mixer를 이용하여 균일하게 교반 및 분산시켜 슬러리를 제조하였다.For electrode production, a slurry was prepared by uniformly stirring and dispersing the active material, conductive material, and binder using pre-mixing and a Thinky mixer.

전극 코팅은 앞서 제조한 슬러리를 닥터블레이드를 이용하여 집전체에 일정한 두께 50~60 ㎛로 코팅하였다. 코팅이 완료된 전극을 건조기로 80 ℃에서 3시간 이상 건조시킨 후, 6시간 이상 진공건조시켰다. 합재 밀도가 1.2~1.6 g/cm3이 되도록 압연을 실시하였으며, 이때 전극의 로딩레벨은 5~8 g/mm2이었다. 제조된 전극은 진공오븐에서 12시간 이상 건조하였다.For electrode coating, the previously prepared slurry was coated on the current collector with a constant thickness of 50 to 60 ㎛ using a doctor blade. The coated electrode was dried in a dryer at 80°C for more than 3 hours and then vacuum dried for more than 6 hours. Rolling was performed so that the composite density was 1.2 to 1.6 g/cm 3 , and the loading level of the electrode at this time was 5 to 8 g/mm 2 . The manufactured electrode was dried in a vacuum oven for more than 12 hours.

< 실시예 1의 1 ~ 3 >: Si 음극의 제조 및 사용된 바인더(제조예 2 바인더) <Example 1 1 to 3>: Preparation of Si anode and binder used (Preparation Example 2 binder)

본 발명에 의한 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 기반의 바인더 성능을 측정하기 위하여, 아래와 같은 방식으로 준비하여 사용하였다. To measure the performance of the styrene-butadiene rubber (SBR)-based binder according to the present invention, it was prepared and used in the following manner.

음극 조성비는 비교예 1과 동일하게 구성되었다. The cathode composition ratio was the same as in Comparative Example 1.

사용된 바인더는, 상기 폴리아크릴산 (PAA)바인더 대신, 제조예 2의 1 ~ 3에서 제조한 각각의 PAA-g-SBR 가교바인더를 사용하였다.The binder used was each of the PAA-g-SBR crosslinking binders prepared in 1 to 3 of Preparation Example 2 instead of the polyacrylic acid (PAA) binder.

전극제조 및 전극 코팅 방법은 상기 비교예 1과 동일하게 실시하였다.The electrode manufacturing and electrode coating methods were carried out in the same manner as in Comparative Example 1 above.

< 실시예 2의 1 ~ 3 >: Si 음극의 제조 및 사용된 바인더(제조예 3 바인더) <Example 2 1 to 3>: Preparation of Si anode and binder used (Preparation Example 3 binder)

본 발명에 의한 니트릴-부타디엔 고무 (NBR) 기반의 바인더 성능을 측정하기 위하여, 아래와 같은 방식으로 준비하여 사용하였다. To measure the performance of the nitrile-butadiene rubber (NBR)-based binder according to the present invention, it was prepared and used in the following manner.

음극 조성비는 비교예 1과 동일하게 구성되었다. The cathode composition ratio was the same as in Comparative Example 1.

사용된 바인더는, 상기 폴리아크릴산 (PAA)바인더 대신, 제조예 3의 1 ~ 3에서 제조한 각각의 PAA-g-NBR 가교바인더를 사용하였다.The binder used was each of the PAA-g-NBR crosslinking binders prepared in 1 to 3 of Preparation Example 3 instead of the polyacrylic acid (PAA) binder.

전극제조 및 전극 코팅 방법은 상기 비교예 1과 동일하게 실시하였다.The electrode manufacturing and electrode coating methods were carried out in the same manner as in Comparative Example 1 above.

< 시험예 1 >: 결착력 평가 <Test Example 1>: Evaluation of binding force

바인더 소재에 따른 전극의 기계적 특성을 평가하기 위해, 제조된 전극을 넓은 직사각형 모양으로 재단하였다. 12mm 너비의 슬라이드글라스에 3M사의 양면테이프를 부착시키고, UTM(만능시험재료시험기)을 이용하여 50mm/min의 시험 속도로 결착력을 측정하였다.To evaluate the mechanical properties of the electrode according to the binder material, the manufactured electrode was cut into a wide rectangular shape. 3M's double-sided tape was attached to a 12 mm wide slide glass, and the binding force was measured using a UTM (Universal Testing Machine) at a test speed of 50 mm/min.

아래 <표1>은 상기 비교예 1과 상기 실시예 1의 1 ~ 실시예 1의 3 및 상기 실시예 2의 1 ~ 실시예 2의 3에서 제조한 각각의 바인더를 사용하여, 각각의 극판의 결착력을 평가한 결과를 나타낸 것이다. <Table 1> below shows the results of each electrode plate using each binder manufactured in Comparative Example 1, Example 1 1 to Example 1 3, and Example 2 1 to Example 2 3. This shows the results of evaluating cohesion.

결착력 평가 결과표 Cohesion evaluation result table 바인더 종류 Binder Type Loading level (mg/cm2)Loading level (mg/cm 2 ) Mean stress (gf/mm)Mean stress (gf/mm) 비교예 1 Comparative Example 1 PAA/CMC PAA/CMC 6.06.0 2.0902.090 8.0 8.0 1.7101.710 실시예 1-1 Example 1-1 PAA-g-SBR(10:1)
/CMC
PAA-g-SBR(10:1)
/CMC
6.06.0 2.2492.249
8.08.0 1.7721.772 실시예 1-2 Example 1-2 PAA-g-SBR(20:1)
/CMC
PAA-g-SBR(20:1)
/CMC
6.16.1 2.2942.294
8.18.1 1.8621.862 실시예 1-3 Example 1-3 PAA-g-SBR(30:1)
/CMC
PAA-g-SBR(30:1)
/CMC
6.06.0 1.9911.991
8.08.0 1.7071.707 실시예 2-1 Example 2-1 PAA-g-NBR(10:1)
/CMC
PAA-g-NBR(10:1)
/CMC
6.16.1 2.2412.241
8.08.0 1.7811.781 실시예 2-2 Example 2-2 PAA-g-NBR(20:1)
/CMC
PAA-g-NBR(20:1)
/CMC
6.06.0 2.2902.290
8.08.0 1.8421.842 실시예 2-3 Example 2-3 PAA-g-NBR(30:1)
/CMC
PAA-g-NBR(30:1)
/CMC
6.06.0 2.0042.004
8.08.0 1.7091.709

상기 결착력 평가 결과표에서 확인되는 바와 같이, SBR 고분자 내 부타디엔 단량체에 대한 아크릴산 단량체의 몰비가 10 배에서 점차적으로 증가하다가, 그 몰비가 30배에 이르렀을 경우, 하락하는 것으로 나타났다. As confirmed in the above binding force evaluation result table, the molar ratio of acrylic acid monomer to butadiene monomer in the SBR polymer gradually increased from 10 times, and then decreased when the molar ratio reached 30 times.

이는 아크릴산 단량체가 많을수록 주사슬인 SBR에 고르게 그래프트되어 더욱 견고한 3차원의 네트워크를 형성하지만, 적정 양을 넘게 되면 그래프트된 PAA의 사슬이 너무 길어지게 되면서 자체적인 결착력이 강해지게 되고, 그로 인하여 전극에서의 결착력은 감소하게 된다는 점을 보여주고 있다. The more acrylic acid monomers there are, the more evenly they are grafted onto the main chain, SBR, forming a more robust three-dimensional network. However, if the amount exceeds the appropriate amount, the grafted PAA chain becomes too long and its own binding force becomes stronger, which causes It shows that the binding force decreases.

또한 상기 결착력 평가 결과표에서 알 수 있는 바와 같이, NBR 고분자 내 부타디엔 단량체에 대한 상기 아크릴산 단량체의 몰비가 10배에서 점차적으로 상승하게 되지만, 그 몰비가 30배에 이르렀을 경우, 오히려 하락하게 됨을 보여주고 있다. 이는 상기 SBR 고분자 내 부타디엔 단량체의 몰비의 변화와 동일한 이유로 이러한 경향을 나타내는 것으로 해석되어졌다. In addition, as can be seen from the binding force evaluation result table, the molar ratio of the acrylic acid monomer to the butadiene monomer in the NBR polymer gradually increases from 10 times, but when the molar ratio reaches 30 times, it actually decreases. there is. This was interpreted as showing this trend for the same reason as the change in the molar ratio of butadiene monomer in the SBR polymer.

도 3은 상기 각 극판의 결착력 평가 결과를 그래프로 나타낸 것이다. Figure 3 graphically shows the results of evaluating the binding force of each electrode plate.

<시험예 2>: 사이클수명특성 및 팽창률 평가<Test Example 2>: Evaluation of cycle life characteristics and expansion rate

사이클 수명 특성을 평가하기 위해, 상기 비교예 1과 실시예 1, 2에서 제조한 극판을 14pi 타발기를 사용하여 전극을 준비하여, Ar으로 충진된 글로브 박스 내에서 Li metal (0.5T)을 16pi 타발기를 이용하여 타발하고, 전해액은 1M LiPF6를 EC (ethylene carbonate) : DMC (dimethyl carbonate)=1:2에 녹인 용액을, 분리막은 상용 PE (polyethylene) 을 사용하여 코인셀을 제조하였다.In order to evaluate the cycle life characteristics, electrodes were prepared using the electrode plates manufactured in Comparative Example 1 and Examples 1 and 2 using a 14pi puncher, and Li metal (0.5T) was added to 16pi in a glove box filled with Ar. A coin cell was manufactured using a punching machine, a solution of 1M LiPF6 dissolved in EC (ethylene carbonate):DMC (dimethyl carbonate)=1:2 as the electrolyte, and commercial PE (polyethylene) as a separator.

상기 제조한 코인셀을 이용하여 상온에서 0.5 C의 전류 인가속도로 0.01~2.0 V의 전압 영역에서 수명 평가를 진행하여, 100회 충방전 반복 후 리튬탈리(delithiation) 시 용량을 기준으로 하여 수명 유지율을 계산하였으며, 코인셀에서 맨 처음으로 충/방전 동작을 실행하는 formation 이후의 충전용량을 기준으로 계산하였다.Using the coin cell manufactured above, lifespan was evaluated in the voltage range of 0.01 to 2.0 V at a current application rate of 0.5 C at room temperature, and the lifespan maintenance rate was determined based on the capacity upon lithium delithiation after 100 cycles of charge and discharge. was calculated based on the charging capacity after formation, which is the first charge/discharge operation in the coin cell.

또한 팽창율을 주사전자현미경(SEM)으로 전극의 단면을 측정하여 전극 두께를 통해 계산하였다. 이때 팽창율(%) = [(충전 후 전극 두께-충전 전 전극 두께)/충전 전 전극 두께] X 100의 식으로 계산하였다.Additionally, the expansion rate was calculated from the electrode thickness by measuring the cross-section of the electrode using a scanning electron microscope (SEM). At this time, expansion rate (%) = [(electrode thickness after charging - electrode thickness before charging) / electrode thickness before charging]

아래 <표2>는 상기 시험예 2에서 제조한 각 코인셀에 대하여, 상기 비교예 1과 상기 실시예 1의 1 ~ 3 및 상기 실시예 2의 1 ~ 3에서 제조한 각각의 바인더를 사용하여, 각각의 코인셀의 사이클수명 특성 및 팽창율을 측정한 결과를 나타낸 것이다. <Table 2> below shows that for each coin cell manufactured in Test Example 2, each binder manufactured in Comparative Example 1, Example 1 1 to 3, and Example 2 1 to 3 was used. , shows the results of measuring the cycle life characteristics and expansion rate of each coin cell.

사이클수명 특성평가 결과Cycle life characteristics evaluation results 바인더 종류Binder Type 사이클수명 (%)
<100회>
Cycle life (%)
<100 times>
팽창율 (%)Expansion rate (%)
비교예 1Comparative Example 1 PAA/CMCPAA/CMC 80.7380.73 101101 실시예 1-1Example 1-1 PAA-g-SBR(10:1)/CMCPAA-g-SBR(10:1)/CMC 82.8082.80 8787 실시예 1-2Example 1-2 PAA-g-SBR(20:1)/CMCPAA-g-SBR(20:1)/CMC 86.5886.58 8080 실시예 1-3Example 1-3 PAA-g-SBR(30:1)/CMCPAA-g-SBR(30:1)/CMC 64.3464.34 6969 실시예 2-1Example 2-1 PAA-g-NBR(10:1)/CMCPAA-g-NBR(10:1)/CMC 84.3384.33 7171 실시예 2-2Example 2-2 PAA-g-NBR(20:1)/CMCPAA-g-NBR(20:1)/CMC 88.2388.23 6464 실시예 2-3Example 2-3 PAA-g-NBR(30:1)
/CMC
PAA-g-NBR(30:1)
/CMC
66.3566.35 6060

상기 사이클수명 특성평가의 결과표에 의해 확인되는 바와 같이, SBR 고분자 내 부타디엔 단량체에 대한 상기 아크릴산 단량체의 몰비가 10 배에서 점차적으로 증가하다가, 그 몰비가 30배에 이르렀을 경우, 하락하는 것으로 나타났다. As confirmed by the result table of the cycle life characteristic evaluation, the molar ratio of the acrylic acid monomer to the butadiene monomer in the SBR polymer gradually increased from 10 times, and then decreased when the molar ratio reached 30 times.

이는 위 범위 내에서는 아크릴산 단량체가 많을수록 주사슬인 SBR에 고르게 그래프트되어 더욱 견고한 3차원의 네트워크를 형성하여 실리콘음극재의 부피팽창율을 감소시킬 수 있지만, 그 범위를 벗어날 경우, 그래프트된 PAA의 사슬이 너무 길어지면서 자체적인 결착력이 강해지게 되고, 그 결과 전극에서의 결착력은 감소하여 사이클수명 특성을 오히려 저하시키는 것으로 여겨졌다.Within the above range, the more acrylic acid monomers are evenly grafted onto the main chain, SBR, forming a more robust three-dimensional network, which can reduce the volume expansion rate of the silicon anode material. However, outside the range, the grafted PAA chains become too large. As it gets longer, its own binding force becomes stronger, and as a result, the binding force at the electrode decreases, which is thought to actually lower the cycle life characteristics.

또한 상기 NBR 고무의 고분자 경우에도, 상기 BR 고분자의 경우와 동일한 경향을 보여주었다. 다시 말해서, SBR에 비해 NBR을 주사슬인 가교바인더를 사용했을 때, 사이클수명 특성은 향상되었고 부피팽창율은 비교적 크게 감소하였다. 이는 NBR이 실리콘입자가 팽창 및 수축을 진행할 때, 실리콘 입자의 큰 부피 변화를 수용할 만큼 충분히 우수한 연신율을 가질 뿐 아니라, 3차원의 다중점 접촉을 통해 안정된 결착을 유지하기 때문인 것으로 해석되었다.In addition, the NBR rubber polymer showed the same tendency as the BR polymer. In other words, when NBR was used as a cross-linking binder as the main chain compared to SBR, the cycle life characteristics were improved and the volume expansion rate was relatively significantly reduced. This was interpreted to be because NBR not only has a sufficiently excellent elongation rate to accommodate large volume changes of silicon particles when they expand and contract, but also maintains stable bonding through three-dimensional multi-point contact.

도 4는 상기 각 코인셀의 사이클수명 특성을 그래프로 나타낸 것이다.Figure 4 graphically shows the cycle life characteristics of each coin cell.

이와 같이, 본 발명에 의해 제조된 PAA-g-SBR 및 PAA-g-NBR 가교바인더는 실리콘이 포함된 음극합제에 대하여 기존 사용바인더 대비 우수한 접착력을 보였으며, 우수한 강도와 신율을 가져 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 및 폴리아크릴산 (PAA)바인더 각각 단독 사용시 문제가 되는 기계적 특성을 개선하여 리튬 이온 이차 전지의 성능을 향상시키는 것으로 확인되었다.In this way, the PAA-g-SBR and PAA-g-NBR crosslinking binders manufactured by the present invention showed superior adhesion to the anode mixture containing silicon compared to existing binders, and had excellent strength and elongation, making them suitable for styrene-butadiene. It has been confirmed that rubber (SBR) and polyacrylic acid (PAA) binders improve the performance of lithium-ion secondary batteries by improving mechanical properties that are problematic when used alone.

또한, 본 발명에 의해 제조된 가교바인더는 수소 결합 및 반데르발스 작용을 통해 Si 입자 주위에 3차원의 고분자 네트워크를 쉽게 형성할 수 있으며, Si 표면과 다중점 접촉을 제공하여 Si 입자와의 결합 능력을 향상시킨다. 또한 이러한 다중점 접촉을 통해 Si 입자의 큰 부피 변화가 발생하더라도 충-방전하는 동안 전극 안정성을 보존하는데 유리함을 알 수 있다. In addition, the cross-linking binder produced by the present invention can easily form a three-dimensional polymer network around Si particles through hydrogen bonding and van der Waals action, and provides multi-point contact with the Si surface to enable bonding to Si particles. Improve your abilities. In addition, it can be seen that this multi-point contact is advantageous in preserving electrode stability during charge and discharge even if a large volume change of Si particles occurs.

이상에서 본 발명에 의한 실리콘 음극 소재용 고분자 가교바인더의 제조방법을 구체적으로 제시하였으나, 이는 본 발명의 실시예를 설명하는 과정에서 구체화된 것일 뿐, 본 발명의 모든 특징이 위에서 언급한 항목에만 적용되는 것이라고 한정하여 해석되어서는 아니될 것이다. Although the manufacturing method of the polymer cross-linking binder for silicon anode material according to the present invention has been specifically presented above, this is only specified in the process of explaining the embodiments of the present invention, and all features of the present invention apply only to the items mentioned above. It should not be interpreted as limited to what is possible.

또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 명세서의 기재내용에 의하여 다양한 변형 및 모방을 행할 수 있을 것이나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어난 것이 아님은 명백하다고 할 것이다. In addition, anyone skilled in the art will be able to make various modifications and imitations based on the contents of the specification of the present invention, but it will be clear that these are not beyond the scope of the present invention.

Claims (6)

스티렌-부타디엔 고무 (SBR)에 개시제와 아크릴산 단량체를 반응시켜 라디칼 중합을 통해 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 고분자사슬에 폴리아크릴산 (PAA)가 그래프트된 것을 특징으로 하는 가교바인더의 제조방법.
A method for producing a cross-linked binder, characterized in that polyacrylic acid (PAA) is grafted onto the polymer chain of styrene-butadiene rubber (SBR) through radical polymerization by reacting an initiator with an acrylic acid monomer to styrene-butadiene rubber (SBR).
제 1항에 있어서,
상기 스티렌-부타디엔 고무 (SBR)의 스티렌 함량이 20 ~ 50 wt%인 것을 특징으로 하는 가교바인더의 제조방법.
According to clause 1,
A method for producing a cross-linked binder, characterized in that the styrene content of the styrene-butadiene rubber (SBR) is 20 to 50 wt%.
제 1항에 있어서,
상기 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 내 부타디엔 단량체 1몰 대비 아크릴산 몰수가 5~30배인 것을 특징으로 하는 가교바인더의 제조방법.
According to clause 1,
A method for producing a cross-linked binder, characterized in that the number of moles of acrylic acid is 5 to 30 times that of 1 mole of butadiene monomer in the styrene-butadiene rubber (SBR).
니트릴-부타디엔 고무 (NBR)에 개시제와 아크릴산 단량체를 반응시켜 라디칼 중합을 통해 니트릴-부타디엔 고무 (NBR) 고분자사슬에 폴리아크릴산 (PAA)가 그래프트된 것을 특징으로 하는 가교바인더의 제조방법.
A method for producing a crosslinking binder, characterized in that polyacrylic acid (PAA) is grafted onto the polymer chain of nitrile-butadiene rubber (NBR) through radical polymerization by reacting an initiator with an acrylic acid monomer to nitrile-butadiene rubber (NBR).
제 4항에 있어서,
상기 니트릴-부타디엔 고무 (NBR)의 아크릴로니트릴 함량이 18 ~ 48 wt%인 것을 특징으로 하는 가교바인더의 제조방법.
According to clause 4,
A method for producing a cross-linked binder, characterized in that the acrylonitrile content of the nitrile-butadiene rubber (NBR) is 18 to 48 wt%.
제 4항에 있어서,
상기 니트릴-부타디엔 고무 (NBR)의 아크릴로니트릴 1몰 대비 아크릴산 몰수가 5~30배인 것을 특징으로 하는 가교바인더의 제조방법.
According to clause 4,
A method for producing a cross-linked binder, characterized in that the number of moles of acrylic acid is 5 to 30 times that of 1 mole of acrylonitrile in the nitrile-butadiene rubber (NBR).
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