WO2018008955A1 - Negative electrode and secondary battery including same negative electrode - Google Patents

Negative electrode and secondary battery including same negative electrode Download PDF

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WO2018008955A1
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negative electrode
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정혜리
이정필
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주식회사 엘지화학
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a negative electrode and a secondary battery including the same, wherein the negative electrode may include a first active material layer, a first pattern, and a second pattern, and the thickness of the first pattern is greater than the thickness of the second pattern. Larger, the volume expansion rate of the second pattern is larger than the volume expansion rate of the first pattern.
  • the negative electrode according to the present invention includes a form in which a part of the first active material layer is exposed to the electrolyte and the first pattern and the second pattern are spaced apart from each other, electrolyte wettability may be improved and distribution of lithium ions in the negative electrode may be improved. have. As a result, precipitation of Li on the surface of the cathode can be prevented, and the capacity and rapid charge / discharge performance of the electrode can be improved.
  • by adjusting the configuration of the first pattern and the second pattern it is possible to minimize the change in the thickness of the cathode or to improve the mechanical stability of the electrode.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a negative electrode according to an embodiment of the present invention.
  • the terms “comprise”, “comprise” or “have” are intended to indicate that there is a feature, number, step, component, or combination thereof, that is, one or more other features, It should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of numbers, steps, components, or combinations thereof.
  • the negative electrode according to an embodiment of the present invention is a current collector; A first active material layer including first active material particles and disposed on the current collector; And a first pattern and a second pattern that are alternately spaced apart from each other on the first active material layer, wherein the first pattern includes first pattern active material particles, and the second pattern includes second pattern active material particles.
  • the thickness of the first pattern may be greater than the thickness of the second pattern, and the volume expansion rate of the second pattern may be greater than the volume expansion rate of the first pattern.
  • the current collector is conductive without causing chemical change in the secondary battery, and includes, for example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or carbon, nickel, on the surface of aluminum or stainless steel.
  • the surface-treated with titanium, silver, etc. can be used.
  • the first active material layer may be disposed on the current collector.
  • the first pattern and the second pattern may be disposed on the first active material layer, respectively.
  • the first active material layer 210 may be evenly disposed on the current collector 100 without being spaced apart.
  • the first pattern 220 and the second pattern 230 may be alternately spaced apart from each other on the first active material layer 210.
  • an uneven shape may be formed on the first active material layer by the first pattern and the second pattern.
  • the concentration of lithium ions is significantly reduced toward the current collector surface near the electrode surface, thereby degrading charge and discharge performance and battery capacity. Occurred.
  • the contact area between the negative electrode and the electrolyte may increase, so that the electrolyte impregnation property can be improved, the charge and discharge performance of the battery This can be improved.
  • the first loaded active material layer is exposed between the first pattern and the second pattern, so that the electrolyte can easily penetrate in the direction of the current collector, thereby further improving the electrolyte impregnation property, and the first active material layer, the first pattern, and the first pattern. Non-uniformity of the lithium ion distribution of the two patterns can be reduced.
  • the thickness of the first pattern may be greater than the thickness of the second pattern. Specifically, the thickness of the first pattern may be 1.1 times to 3 times greater than the thickness of the second pattern, and more specifically 1.2 times to 2 times.
  • the volume expansion rate of the second pattern may be greater than the volume expansion rate of the first pattern.
  • the volume expansion rate may be calculated from an increase in thickness after one charge / discharge compared to the initial thickness of the first pattern or the second pattern. Specifically, the ratio of the amount of change in thickness increased after the first charge / discharge cycle with respect to the initial electrode thickness.
  • the first charge-discharge cycle proceeds with CC-CV charging at 0.1C, 0.005V, 0.005C cut off, and discharges at CCC with 0.1C, 1.5V cut off.
  • volume expansion ratio is calculated by Equation 1 below, where A is the thickness of the first pattern or the second pattern before charging and discharging, and B may be the thickness of the first pattern or the second pattern after charging and discharging. .
  • the thickness can be measured with a micrometer, a mouse, or through a scanning electron microscope.
  • the second pattern has a relatively large volume expansion ratio
  • the thickness of the second pattern since the thickness of the second pattern is relatively small, it is possible to prevent the thickness of the second pattern from being excessively larger than the thickness of the first pattern during charging and discharging. Therefore, the thickness of the cathode may not be excessively increased, and the first pattern may not be in contact with the neighboring first pattern, or excessive stress may not be applied to the first pattern. Therefore, excessive increase in battery thickness due to electrode expansion during charging can be prevented, and mechanical stability of the electrode can be ensured.
  • the first active material layer may include first active material particles
  • the first pattern may include the first pattern active material particles
  • the second pattern may include the second pattern active material particles.
  • composition of at least one of the first active material particles, the first pattern active material particles, and the second pattern active material particles may be different from the remaining composition.
  • the first active material particles and the first pattern active material particles may be artificial graphite
  • the second pattern active material particles may be natural graphite.
  • Artificial graphite has a relatively good lithium absorption capacity compared to natural graphite. Therefore, by using artificial graphite as the first active material particles and the first pattern active material particles included in the first active material layer and the first pattern, which occupy most of the components located on the current collector, the charge and discharge characteristics of the battery can be improved. have.
  • natural graphite has a higher lithium bonding amount than artificial graphite. Therefore, the capacity of the battery can be improved by using natural graphite as the second pattern active material particles included in the second pattern located on the electrode surface.
  • the first active material particles are natural graphite
  • the first pattern active material particles and the second pattern active material particles are artificial graphite
  • the second pattern There is a difference in that the porosity of is smaller than the porosity of the first pattern.
  • the charge and discharge characteristics of the battery may be further improved.
  • the capacity of the battery may be improved by using natural graphite as the first pattern active material particles included in the first pattern positioned on the electrode surface and the second pattern active material particles included in the second pattern.
  • the porosity of the first pattern may be at least 5% greater than the porosity of the second pattern, more specifically, the porosity of the first pattern may be 23% to 35%, and the porosity of the second pattern is 18% to 30 May be%.
  • the porosity can be measured in the same manner as described above.
  • the conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • Examples of the conductive material include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, farnes black, lamp black and thermal black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Conductive tubes such as carbon nanotubes; Metal powders such as fluorocarbon, aluminum and nickel powders; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
  • a secondary battery according to another embodiment of the present invention may include a negative electrode, a positive electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte, and the negative electrode may be an electrode according to an embodiment of the present invention.
  • the positive electrode may be formed on the positive electrode current collector and the positive electrode current collector, and may include a positive electrode active material layer including the positive electrode active material.
  • porous nonwoven fabrics such as nonwoven fabrics made of high melting point glass fibers, polyethylene terephthalate fibers and the like may be used.
  • a coated separator including a ceramic component or a polymer material may be used to secure heat resistance or mechanical strength, and may be optionally used as a single layer or a multilayer structure.
  • the thickness was confirmed by micrometer.

Abstract

The present invention relates to a negative electrode and a secondary battery including the same, comprising: a current collector; a first active material layer, which comprises a first active material particle and is disposed on the current collector; and a first pattern and a second pattern, which are alternately arranged on the first active material layer while being spaced from each other, wherein the first pattern comprises a first pattern active material particle, the second pattern comprises a second pattern active material particle, the first pattern is thicker than the second pattern, and the second pattern has a volume expansion rate larger than that of the first pattern.

Description

음극 및 상기 음극을 포함하는 이차 전지Secondary battery comprising a negative electrode and the negative electrode
관련출원과의 상호인용Citation with Related Applications
본 출원은 2016년 07월 04일자 출원된 한국 특허 출원 제10-2016-0083959호 및 2017년 07월 04일자 출원된 한국 특허 출원 제10-2017-0085056에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.This application claims the benefit of priority based on Korean Patent Application No. 10-2016-0083959, filed July 04, 2016 and Korean Patent Application No. 10-2017-0085056, filed July 04, 2017. All content disclosed in the literature of a patent application is included as part of this specification.
기술분야Technical Field
본 발명은 음극 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것으로, 상기 음극은 제1 활물질층, 제1 패턴, 및 제2 패턴을 포함할 수 있으며, 상기 제1 패턴의 두께는 상기 제2 패턴의 두께보다 크고, 상기 제2 패턴의 부피 팽창률은 상기 제1 패턴의 부피 팽창률보다 큰 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a negative electrode and a secondary battery including the same, wherein the negative electrode may include a first active material layer, a first pattern, and a second pattern, and the thickness of the first pattern is greater than the thickness of the second pattern. Larger, the volume expansion rate of the second pattern is larger than the volume expansion rate of the first pattern.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학 반응을 이용한 발전, 축전 분야이다.Due to the rapid increase in the use of fossil fuels, the demand for the use of alternative energy or clean energy is increasing, and the most actively researched fields are power generation and storage using electrochemical reactions.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차 전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다. 최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차 전지 중 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고 사이클 수명이 길며 자기 방전율이 낮은 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.A representative example of an electrochemical device using such electrochemical energy is a secondary battery, and its use area is gradually increasing. Recently, as the development and demand of portable devices such as portable computers, portable telephones, and cameras increases, the demand for secondary batteries as a source of energy is rapidly increasing, and these secondary batteries exhibit high energy density and operating potential, and have a cycle life. Many researches have been conducted on this long, low self-discharge rate lithium battery and are commercially available and widely used.
일반적으로 이차 전지는 양극, 음극, 전해질, 및 분리막으로 구성되며, 첫 번째 충전에 의해 양극 활물질로부터 나온 리튬 이온이 카본 입자와 같은 음극 활물질 내에 삽입되고 방전 시 다시 탈리되는 등의 양 전극을 왕복하면서 에너지를 전달하는 역할을 하기 때문에 충방전이 가능하게 된다.In general, a secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator, and reciprocates positive and negative electrodes such that lithium ions from the positive electrode active material are inserted into a negative electrode active material such as carbon particles and are detached again when discharged. Since it plays a role of transmitting energy, charging and discharging becomes possible.
한편, 음극 내 활물질의 양은 전지의 충방전 용량을 결정하는 여러 가지 인자들 중 하나이다. 따라서, 고용량(high-capacity) 전극을 제조하기 위해, 음극 활물질이 집전체 표면에 높은 수준으로 로딩(loading)되어 왔다. 다만, 활물질이 높은 수준으로 로딩된 전극의 경우, 활물질층에 대한 전해액의 함침성(wetting)이 감소하며, 활물질층 내 삽입되거나 활물질과 반응하는 리튬 이온이 지나치게 분균일하게 분포된다. 구체적으로, 전해액과 직접 접하는 활물질층 표면 근처의 활물질 영역에서 리튬 이온 농도는 높은 반면, 집전체 근처의 활물질층 영역의 리튬 이온 농도는 그에 비해 지나치게 낮을 수 있다. 이에 따라, 전극 표면에 Li이 석출되거나, 전극의 용량이 감소하며, 전지의 급속 충방전 성능(rate)이 저하된다.On the other hand, the amount of the active material in the negative electrode is one of several factors that determine the charge and discharge capacity of the battery. Thus, in order to fabricate high-capacity electrodes, negative electrode active materials have been loaded at high levels on current collector surfaces. However, in the case of an electrode loaded at a high level of the active material, wetting of the electrolyte solution to the active material layer is reduced, and lithium ions inserted into the active material layer or reacted with the active material are distributed too uniformly. Specifically, while the lithium ion concentration is high in the active material region near the surface of the active material layer directly in contact with the electrolyte, the lithium ion concentration in the active material layer region near the current collector may be too low. As a result, Li precipitates on the surface of the electrode, the capacity of the electrode decreases, and the rapid charge / discharge performance of the battery decreases.
상기 문제를 해결하기 위해 활물질층의 공극률을 높이는 방법 등이 사용되고 있으나, 공극률이 높은 활물질층으로 동일 수준의 용량을 구현하기 위해서는 전극 두께가 두꺼워지는 문제가 발생한다.In order to solve the problem, a method of increasing the porosity of the active material layer is used, but in order to realize the same level of capacity as the active material layer having a high porosity, a problem occurs in that the electrode thickness becomes thick.
따라서, 전지의 고용량을 유지하면서, 전해액의 함침성이 개선될 수 있고, 활물칠층 내 리튬 이온의 분포가 개선될 수 있으며, 충방전 성능이 향상될 수 있는 음극이 요구되고 있는 실정이다.Therefore, while maintaining a high capacity of the battery, the impregnation of the electrolyte solution can be improved, the distribution of lithium ions in the lubricant layer can be improved, the negative electrode that can improve the charge and discharge performance is required.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 전지의 고용량을 유지하면서, 전해액의 함침성이 개선될 수 있고, 전지의 충방전 성능이 향상될 수 있는 음극을 제공하는 것이다.One problem to be solved by the present invention is to provide a negative electrode that can improve the impregnation of the electrolyte, while improving the charge and discharge performance of the battery, while maintaining a high capacity of the battery.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 활물질층 내 리튬 이온의 분포를 개선하면서, 전극의 두께를 최소화하고, 전극의 기계적 안정성을 향상시키는 것이다.Another object of the present invention is to minimize the thickness of the electrode and improve the mechanical stability of the electrode while improving the distribution of lithium ions in the active material layer.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 집전체; 제1 활물질 입자를 포함하며 상기 집전체 상에 배치된 제1 활물질층; 및 상기 제1 활물질층 상에서 서로 이격되어 교대로 배치된 제1 패턴 및 제2 패턴을 포함하되, 상기 제1 패턴은 제1 패턴 활물질 입자를 포함하고, 상기 제2 패턴은 제2 패턴 활물질 입자를 포함하며, 상기 제1 패턴의 두께는 상기 제2 패턴의 두께보다 크고, 상기 제2 패턴의 부피 팽창률은 상기 제1 패턴의 부피 팽창률보다 큰 음극을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention is a current collector; A first active material layer including first active material particles and disposed on the current collector; And a first pattern and a second pattern that are alternately spaced apart from each other on the first active material layer, wherein the first pattern includes first pattern active material particles, and the second pattern includes second pattern active material particles. And a thickness of the first pattern is greater than a thickness of the second pattern, and a volume expansion rate of the second pattern is greater than that of the first pattern.
또한, 본 발명은 상기 음극을 포함하는 이차 전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a secondary battery including the negative electrode.
본 발명에 따른 음극은 제1 활물질층의 일부가 전해액에 노출되고 제1 패턴 및 제2 패턴이 서로 이격되어 있는 형태를 포함하므로, 전해액 젖음성이 향상되고, 음극 내 리튬 이온의 분포가 개선될 수 있다. 이에 따라, 음극 표면에 Li이 석출되는 것이 방지되며, 전극의 용량 및 급속 충방전 성능이 개선될 수 있다. 또한, 제1 패턴과 제2 패턴의 구성을 조절하여, 음극의 두께 변화를 최소화하거나, 전극의 기계적 안정성을 향상시킬 수 있다.Since the negative electrode according to the present invention includes a form in which a part of the first active material layer is exposed to the electrolyte and the first pattern and the second pattern are spaced apart from each other, electrolyte wettability may be improved and distribution of lithium ions in the negative electrode may be improved. have. As a result, precipitation of Li on the surface of the cathode can be prevented, and the capacity and rapid charge / discharge performance of the electrode can be improved. In addition, by adjusting the configuration of the first pattern and the second pattern, it is possible to minimize the change in the thickness of the cathode or to improve the mechanical stability of the electrode.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극의 단면 모식도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a negative electrode according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail to aid in understanding the present invention.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best describe their invention. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. The terminology used herein is for the purpose of describing exemplary embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.As used herein, the terms "comprise", "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, component, or combination thereof, that is, one or more other features, It should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of numbers, steps, components, or combinations thereof.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음극은 집전체; 제1 활물질 입자를 포함하며 상기 집전체 상에 배치된 제1 활물질층; 및 상기 제1 활물질층 상에서 서로 이격되어 교대로 배치된 제1 패턴 및 제2 패턴을 포함하되, 상기 제1 패턴은 제1 패턴 활물질 입자를 포함하고, 상기 제2 패턴은 제2 패턴 활물질 입자를 포함하며, 상기 제1 패턴의 두께는 상기 제2 패턴의 두께보다 크고, 상기 제2 패턴의 부피 팽창률은 상기 제1 패턴의 부피 팽창률보다 클 수 있다.1, the negative electrode according to an embodiment of the present invention is a current collector; A first active material layer including first active material particles and disposed on the current collector; And a first pattern and a second pattern that are alternately spaced apart from each other on the first active material layer, wherein the first pattern includes first pattern active material particles, and the second pattern includes second pattern active material particles. The thickness of the first pattern may be greater than the thickness of the second pattern, and the volume expansion rate of the second pattern may be greater than the volume expansion rate of the first pattern.
상기 집전체는, 이차 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 지닌 것으로서, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다.The current collector is conductive without causing chemical change in the secondary battery, and includes, for example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or carbon, nickel, on the surface of aluminum or stainless steel. The surface-treated with titanium, silver, etc. can be used.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 활물질층은 상기 집전체 상에 배치될 수 있다. 또한, 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴은 각각 상기 제1 활물질층 상에 배치될 수 있다. 도 1을 참조하면, 제1 활물질층(210)은 집전체(100) 상에 이격된 부분 없이 고르게 배치될 수 있다. 제1 패턴(220) 및 제2 패턴(230)은 각각 제1 활물질층(210) 상에서 서로 이격되어 교대로 배치될 수 있다. 구체적으로, 제1 패턴 및 제2 패턴에 의해 제1 활물질층 상에 요철 형상이 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the first active material layer may be disposed on the current collector. In addition, the first pattern and the second pattern may be disposed on the first active material layer, respectively. Referring to FIG. 1, the first active material layer 210 may be evenly disposed on the current collector 100 without being spaced apart. The first pattern 220 and the second pattern 230 may be alternately spaced apart from each other on the first active material layer 210. Specifically, an uneven shape may be formed on the first active material layer by the first pattern and the second pattern.
표면에 요철 형상이 없는 고로딩된 활물질층을 포함하는 종래 음극의 경우, 전극 표면 근처에서 집전체 표면 근처로 향할 수록, 리튬 이온의 농도가 현저히 줄어들어, 충방전 성능과 전지의 용량이 저하되는 문제가 발생하였다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 패턴 및 제2 패턴에 의해 형성된 요철 형상에 따라, 음극과 전해액이 접하는 면적이 증가될 수 있으므로, 전해액 함침성이 개선될 수 있고, 전지의 충방전 성능이 향상될 수 있다. 나아가, 고로딩된 제1 활물질층이 제1 패턴과 제2 패턴 사이로 노출되면서 전해액이 집전체 방향으로 용이하게 침투될 수 있어서 전해액 함침성이 더욱 개선되고, 제1 활물질층, 제1 패턴 및 제2 패턴의 리튬 이온 분포의 불균일이 줄어들 수 있다.In the case of a conventional negative electrode including a high-loaded active material layer having no uneven shape on the surface, the concentration of lithium ions is significantly reduced toward the current collector surface near the electrode surface, thereby degrading charge and discharge performance and battery capacity. Occurred. According to one embodiment of the present invention, according to the uneven shape formed by the first pattern and the second pattern, the contact area between the negative electrode and the electrolyte may increase, so that the electrolyte impregnation property can be improved, the charge and discharge performance of the battery This can be improved. Furthermore, the first loaded active material layer is exposed between the first pattern and the second pattern, so that the electrolyte can easily penetrate in the direction of the current collector, thereby further improving the electrolyte impregnation property, and the first active material layer, the first pattern, and the first pattern. Non-uniformity of the lithium ion distribution of the two patterns can be reduced.
상기 제1 패턴의 두께는 상기 제2 패턴의 두께보다 클 수 있다. 구체적으로 상기 제1 패턴의 두께는 상기 제2 패턴의 두께보다 1.1배 내지 3배 일 수 있으며, 보다 구체적으로 1.2배 내지 2배 일 수 있다.The thickness of the first pattern may be greater than the thickness of the second pattern. Specifically, the thickness of the first pattern may be 1.1 times to 3 times greater than the thickness of the second pattern, and more specifically 1.2 times to 2 times.
상기 제2 패턴의 부피 팽창률은 상기 제1 패턴의 부피 팽창률보다 클 수 있다. 상기 부피 팽창률은 상기 제1 패턴 또는 상기 제2 패턴의 초기 두께 대비 1회 충방전 후의 두께의 증가량으로부터 계산될 수 있다. 구체적으로, 초기 전극 두께에 대한 첫 충방전 사이클 후 증가된 두께의 변화량의 비율을 의미한다. 이 때, 첫 충방전 사이클은 CC-CV충전을 0.1C, 0.005V, 0.005C Cut off로 진행하며, 방전은 0.1C, 1.5V Cut off로 CC방전시켜서 진행한다. The volume expansion rate of the second pattern may be greater than the volume expansion rate of the first pattern. The volume expansion rate may be calculated from an increase in thickness after one charge / discharge compared to the initial thickness of the first pattern or the second pattern. Specifically, the ratio of the amount of change in thickness increased after the first charge / discharge cycle with respect to the initial electrode thickness. At this time, the first charge-discharge cycle proceeds with CC-CV charging at 0.1C, 0.005V, 0.005C cut off, and discharges at CCC with 0.1C, 1.5V cut off.
더욱 구체적으로, 상기 부피 팽창률은 하기 식 1으로 계산되며, 하기 A는 충방전 전의 제1 패턴 또는 제2 패턴의 두께이며, 하기 B는 충방전 후의 제1 패턴 또는 제2 패턴의 두께일 수 있다.More specifically, the volume expansion ratio is calculated by Equation 1 below, where A is the thickness of the first pattern or the second pattern before charging and discharging, and B may be the thickness of the first pattern or the second pattern after charging and discharging. .
[식 1][Equation 1]
부피 팽창률 = [(B-A)/A] × 100Volume Expansion Rate = [(B-A) / A] × 100
상기 두께는 마이크로미터, 마우저로 측정하거나, 주사 전자 현미경을 통해 측정될 수 있다.The thickness can be measured with a micrometer, a mouse, or through a scanning electron microscope.
제2 패턴이 상대적으로 큰 부피 팽창률을 가지더라도, 제2 패턴의 두께가 상대적으로 작기 때문에, 충방전 시 제2 패턴의 두께가 제1 패턴의 두께보다 지나치게 커지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 음극의 두께가 과도하게 증가하지 않을 수 있으며, 이웃하는 제1 패턴과 접하지 않거나, 접하더라도 제1 패턴에 과도한 응력이 가해지지 않을 수 있다. 따라서, 충전 시 전극 팽창으로 인한 전지 두께의 지나친 증가가 방지되고, 전극의 기계적 안정성이 확보될 수 있다.Even if the second pattern has a relatively large volume expansion ratio, since the thickness of the second pattern is relatively small, it is possible to prevent the thickness of the second pattern from being excessively larger than the thickness of the first pattern during charging and discharging. Therefore, the thickness of the cathode may not be excessively increased, and the first pattern may not be in contact with the neighboring first pattern, or excessive stress may not be applied to the first pattern. Therefore, excessive increase in battery thickness due to electrode expansion during charging can be prevented, and mechanical stability of the electrode can be ensured.
상기 제1 활물질층은 제1 활물질 입자를 포함할 수 있으며, 상기 제1 패턴은 상기 제1 패턴 활물질 입자를 포함할 수 있고, 상기 제2 패턴은 상기 제2 패턴 활물질 입자를 포함할 수 있다. The first active material layer may include first active material particles, the first pattern may include the first pattern active material particles, and the second pattern may include the second pattern active material particles.
상기 제1 활물질 입자, 상기 제1 패턴 활물질 입자, 및 상기 제2 패턴 활물질 입자 중 적어도 어느 하나의 조성은 나머지의 조성과 다를 수 있다. The composition of at least one of the first active material particles, the first pattern active material particles, and the second pattern active material particles may be different from the remaining composition.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 활물질 입자 및 상기 제1 패턴 활물질 입자는 인조 흑연이며, 상기 제2 패턴 활물질 입자는 천연 흑연일 수 있다. 인조 흑연은 천연 흑연에 비해 상대적으로 리튬 흡수 능력이 우수하다. 따라서, 집전체 상에 위치하는 구성들의 대부분을 차지하는 제1 활물질층 및 제1 패턴이 포함하는 제1 활물질 입자와 제1 패턴 활물질 입자로 인조 흑연을 사용함으로써, 전지의 충방전 특성이 향상될 수 있다. 한편, 천연 흑연은 인조 흑연에 비해 리튬 결합량이 높다. 따라서, 전극 표면에 위치하는 제2 패턴이 포함하는 제2 패턴 활물질 입자로 천연 흑연을 사용함으로써, 전지의 용량이 향상될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the first active material particles and the first pattern active material particles may be artificial graphite, and the second pattern active material particles may be natural graphite. Artificial graphite has a relatively good lithium absorption capacity compared to natural graphite. Therefore, by using artificial graphite as the first active material particles and the first pattern active material particles included in the first active material layer and the first pattern, which occupy most of the components located on the current collector, the charge and discharge characteristics of the battery can be improved. have. On the other hand, natural graphite has a higher lithium bonding amount than artificial graphite. Therefore, the capacity of the battery can be improved by using natural graphite as the second pattern active material particles included in the second pattern located on the electrode surface.
한편, 천연 흑연은 인조 흑연에 비해 상대적으로 방전 시 부피 팽창률이 크다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조에서는, 제2 패턴이 상대적으로 큰 부피 팽창률을 가지더라도, 제2 패턴의 두께가 상대적으로 작기 때문에, 충방전 시 제2 패턴의 두께가 제1 패턴의 두께보다 지나치게 커지는 것을 방지할 수 있다. 따라서 음극의 두께가 과도하게 증가하지 않을 수 있으며, 이웃하는 제1 패턴과 접하지 않거나, 접하더라도 제1 패턴에 과도한 응력이 가해지지 않을 수 있다. 따라서, 충전 시 전극 팽창으로 인한 전지 두께의 지나친 증가가 방지되고, 전극의 기계적 안정성이 확보될 수 있다. 상기 효과는 제1 패턴과 제2 패턴이 교대로 배치됨으로써 더욱 향상될 수 있다. On the other hand, natural graphite has a large volumetric expansion ratio upon discharge relative to artificial graphite. Therefore, in the structure according to the embodiment of the present invention, even if the second pattern has a relatively large volume expansion ratio, since the thickness of the second pattern is relatively small, the thickness of the second pattern during charge and discharge may be It can be prevented from becoming too large than the thickness. Therefore, the thickness of the cathode may not be excessively increased, and the first pattern may not be in contact with the neighboring first pattern, or excessive stress may not be applied to the first pattern. Therefore, excessive increase in battery thickness due to electrode expansion during charging can be prevented, and mechanical stability of the electrode can be ensured. The effect may be further improved by alternately arranging the first pattern and the second pattern.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상술한 일 실시예와 유사하나, 상기 제1 활물질 입자는 천연 흑연이며, 상기 제1 패턴 활물질 입자 및 상기 제2 패턴 활물질 입자는 인조 흑연이고, 상기 제2 패턴의 공극률이 상기 제1 패턴의 공극률 보다 작다는 점에서 차이가 있다. According to another embodiment of the present invention, similar to the above-described embodiment, the first active material particles are natural graphite, the first pattern active material particles and the second pattern active material particles are artificial graphite, the second pattern There is a difference in that the porosity of is smaller than the porosity of the first pattern.
집전체 상에 위치하는 구성들의 대부분을 차지하는 제1 활물질층에 포함된 제1 활물질 입자를 천연 흑연으로 사용함으로써, 전지의 용량이 더욱 향상될 수 있다. 또한, 상기 제1 패턴 활물질 입자 및 상기 제2 패턴 활물질 입자로 인조 흑연을 사용함으로써, 전지의 충방전 특성이 개선될 수 있다. 나아가, 음극 표면에 위치한 제1 패턴 및 제2 패턴 모두 인조 흑연을 포함하므로, 인조 흑연과 전해액이 1차적으로 반응하게 된다. 따라서, 인조 흑연의 우수한 리튬 흡수 능력에 기하여 음극의 충전 성능이 향상될 수 있으면서, 동시에 리튬 이온의 석출에 의한 음극 표면에서의 부반응을 최소화할 수 있다. By using the first active material particles included in the first active material layer, which occupies most of the components disposed on the current collector, as natural graphite, the capacity of the battery may be further improved. In addition, by using artificial graphite as the first pattern active material particles and the second pattern active material particles, the charge and discharge characteristics of the battery can be improved. Furthermore, since both the first pattern and the second pattern located on the surface of the cathode include artificial graphite, the artificial graphite and the electrolyte react primarily. Therefore, the charging performance of the negative electrode can be improved based on the excellent lithium absorption ability of artificial graphite, and at the same time, side reactions on the negative electrode surface due to the deposition of lithium ions can be minimized.
또한, 제2 패턴의 공극률이 상기 제1 패턴의 공극률보다 작기 때문에, 제2 패턴에 의해 에너지 밀도가 향상되어 전지의 용량이 개선될 수 있다. 동시에, 제2 패턴의 공극률이 상기 제1 패턴의 공극률보다 작기 때문에, 제2 패턴의 부피 팽창률이 제1 패턴의 부피 팽창률보다 클 수 있다. 제2 패턴이 상대적으로 큰 부피 팽창률을 가지더라도, 제2 패턴의 두께가 상대적으로 작기 때문에, 충방전 시 제2 패턴의 두께가 제1 패턴의 두께보다 지나치게 커지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 음극의 두께가 과도하게 증가하지 않을 수 있으며, 이웃하는 제1 패턴과 접하지 않거나, 접하더라도 제1 패턴에 과도한 응력이 가해지지 않을 수 있다. 따라서, 충전 시 전극 팽창으로 인한 전지 두께의 지나친 증가가 방지되고, 전극의 기계적 안정성이 확보될 수 있다. 구체적으로, 제1 패턴의 공극률은 제2 패턴의 공극률보다 5% 이상 클 수 있으며, 더욱 구체적으로 제1 패턴의 공극률은 23% 내지 35%일 수 있으며, 제2 패턴의 공극률은 18% 내지 30%일 수 있다. 상기 공극률은 하기 식 1의 방법으로 계산될 수 있다. In addition, since the porosity of the second pattern is smaller than the porosity of the first pattern, the energy density may be improved by the second pattern, thereby improving the capacity of the battery. At the same time, since the porosity of the second pattern is smaller than the porosity of the first pattern, the volume expansion rate of the second pattern may be greater than the volume expansion rate of the first pattern. Even if the second pattern has a relatively large volume expansion ratio, since the thickness of the second pattern is relatively small, it is possible to prevent the thickness of the second pattern from being excessively larger than the thickness of the first pattern during charging and discharging. Therefore, the thickness of the cathode may not be excessively increased, and the first pattern may not be in contact with the neighboring first pattern, or excessive stress may not be applied to the first pattern. Therefore, excessive increase in battery thickness due to electrode expansion during charging can be prevented, and mechanical stability of the electrode can be ensured. Specifically, the porosity of the first pattern may be at least 5% greater than the porosity of the second pattern, more specifically, the porosity of the first pattern may be 23% to 35%, and the porosity of the second pattern is 18% to 30 May be%. The porosity can be calculated by the method of Equation 1 below.
[식 1][Equation 1]
공극률 = 1-[공극을 포함한 구성의 밀도/공극을 포함하지 않은 구성의 밀도]Porosity = 1- [density of composition with voids / density of composition without voids]
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상술한 일 실시예와 유사하나, 상기 제1 활물질 입자는 인조 흑연이고, 상기 제1 패턴 활물질 입자 및 상기 제2 패턴 활물질 입자는 천연 흑연이며, 상기 제2 패턴의 공극률이 상기 제1 패턴의 공극률 보다 작다는 점에서 차이가 있다. According to another embodiment of the present invention, similar to the above-described embodiment, the first active material particles are artificial graphite, the first pattern active material particles and the second pattern active material particles are natural graphite, the second The difference is that the porosity of the pattern is smaller than the porosity of the first pattern.
집전체 상에 위치하는 구성들의 대부분을 차지하는 제1 활물질층이 포함하는 제1 활물질 입자로 인조 흑연을 사용함으로써, 전지의 충방전 특성이 더욱 향상될 수 있다. 이와 동시에, 전극 표면에 위치하는 제1 패턴이 포함하는 제1 패턴 활물질 입자 및 제2 패턴이 포함하는 제2 패턴 활물질 입자로 천연 흑연을 사용함으로써, 전지의 용량이 향상될 수 있다. By using artificial graphite as the first active material particles included in the first active material layer, which occupies most of the components disposed on the current collector, the charge and discharge characteristics of the battery may be further improved. At the same time, the capacity of the battery may be improved by using natural graphite as the first pattern active material particles included in the first pattern positioned on the electrode surface and the second pattern active material particles included in the second pattern.
또한, 제2 패턴의 공극률이 상기 제1 패턴의 공극률보다 작기 때문에, 제2 패턴에 의해 에너지 밀도가 향상되어 전지의 용량이 개선될 수 있다. 동시에, 제2 패턴의 공극률이 상기 제1 패턴의 공극률보다 작기 때문에, 제2 패턴의 부피 팽창률이 제1 패턴의 부피 팽창률보다 클 수 있다. 제2 패턴이 상대적으로 큰 부피 팽창률을 가지더라도, 제2 패턴의 두께가 상대적으로 작기 때문에, 충방전 시 제2 패턴의 두께가 제1 패턴의 두께보다 지나치게 커지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 전극의 두께가 과도하게 증가하지 않을 수 있으며, 이웃하는 제1 패턴과 접하지 않거나, 접하더라도 제1 패턴에 과도한 응력이 가해지지 않을 수 있다. 따라서, 충전 시 전극 팽창으로 인한 전지 두께의 지나친 증가가 방지되고, 전극의 기계적 안정성이 확보될 수 있다. 구체적으로, 제1 패턴의 공극률은 제2 패턴의 공극률보다 5% 이상 클 수 있으며, 더욱 구체적으로 제1 패턴의 공극률은 23% 내지 35%일 수 있으며, 제2 패턴의 공극률은 18% 내지 30%일 수 있다. 상기 공극률은 상술한 방법과 동일하게 측정될 수 있다.In addition, since the porosity of the second pattern is smaller than the porosity of the first pattern, the energy density may be improved by the second pattern, thereby improving the capacity of the battery. At the same time, since the porosity of the second pattern is smaller than the porosity of the first pattern, the volume expansion rate of the second pattern may be greater than the volume expansion rate of the first pattern. Even if the second pattern has a relatively large volume expansion ratio, since the thickness of the second pattern is relatively small, it is possible to prevent the thickness of the second pattern from being excessively larger than the thickness of the first pattern during charging and discharging. Therefore, the thickness of the electrode may not be excessively increased, and the first pattern may not be in contact with the neighboring first pattern, or excessive stress may not be applied to the first pattern. Therefore, excessive increase in battery thickness due to electrode expansion during charging can be prevented, and mechanical stability of the electrode can be ensured. Specifically, the porosity of the first pattern may be at least 5% greater than the porosity of the second pattern, more specifically, the porosity of the first pattern may be 23% to 35%, and the porosity of the second pattern is 18% to 30 May be%. The porosity can be measured in the same manner as described above.
본 발명의 실시예들에 있어서, 제1 활물질층, 제1 패턴, 및 제2 패턴은 각각 바인더 및 도전재를 포함할 수 있다. In embodiments of the present invention, the first active material layer, the first pattern, and the second pattern may each include a binder and a conductive material.
상기 바인더로는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리 아크릴산 (poly acrylic acid) 및 이들의 수소를 Li, Na 또는 Ca 등으로 치환된 고분자, 또는 다양한 공중합체 등의 다양한 종류의 바인더 고분자가 사용될 수 있다.The binder may be polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethylmethacrylate, Polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyacrylic acid, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), Various kinds of binder polymers such as sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluorine rubber, poly acrylic acid and polymers in which hydrogen thereof is replaced with Li, Na or Ca, or various copolymers can be used. Can be.
상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery. Examples of the conductive material include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, farnes black, lamp black and thermal black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Conductive tubes such as carbon nanotubes; Metal powders such as fluorocarbon, aluminum and nickel powders; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
본 발명의 실시예들에 따른 음극은 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 전극 합제를 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다. 구체적으로, 집전체 상에 상기 방법으로 제1 활물질층을 형성한 뒤, 제1 활물질층 상에 제1 패턴 및 제2 패턴을 형성시킬 수 있다. 상기 제1 활물질층, 제1 패턴 및 제2 패턴은 스크린 인쇄법, 잉크젯법, 스프레이법, 그라비어 인쇄법, 열전사법, 톳판 인쇄법, 요판 인쇄법 및 오프셋 인쇄법 중 적어도 1 이상을 조합해 이용할 수 있다. 상기 용매로는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 용매일 수 있으며, 디메틸셀폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤(acetone) 또는 물 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.The negative electrode according to the embodiments of the present invention may be prepared by applying a slurry prepared by mixing an electrode mixture including an active material, a conductive material, and a binder to a solvent on a current collector, followed by drying and rolling. Specifically, after the first active material layer is formed on the current collector by the above method, the first pattern and the second pattern may be formed on the first active material layer. The first active material layer, the first pattern, and the second pattern may be used in combination with at least one of screen printing, inkjet, spray, gravure printing, thermal transfer, plate printing, intaglio printing, and offset printing. Can be. The solvent may be a solvent generally used in the art, and may include dimethyl sulfoxide (DMSO), isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), acetone or acetone. Water, and the like, one of these alone or a mixture of two or more thereof may be used.
보다 구체적으로, 집전체 상에 제1 활물질층 형성용 슬러리를 도포, 건조 및 압연하여 제1 활물질층을 형성할 수 있다. 이 후, 패턴 마스크를 제1 활물질층 상에 배치한 뒤, 제2 패턴 형성용 슬러리를 도포 및 건조하고 압연하여 제1 활물질층의 일부분에 선택적으로 특정 두께의 제2 패턴을 형성할 수 있다. 이 후, 상기 패턴 마스크를 제거하고, 제1 패턴을 형성하기 위해 제1 활물질층의 일부 및 제2 패턴 상에 또 다른 패턴 마스크를 배치시킬 수 있다. 이 후, 제1 패턴 형성용 슬러리를 도포 및 건조시킨 뒤, 압연하여 특정 두께의 제1 패턴을 형성할 수 있다. 이후, 상기 패턴 마스크를 제거할 수 있다. 제조방법은 반드시 이에 한정된 것은 아니며, 경우에 따라 에칭 공정을 사용하여 제1 패턴과 제2 패턴을 형성시킬 수도 있다.More specifically, the slurry for forming the first active material layer may be applied, dried, and rolled on the current collector to form the first active material layer. Thereafter, after the pattern mask is disposed on the first active material layer, the second pattern forming slurry may be applied, dried, and rolled to selectively form a second pattern having a specific thickness on a portion of the first active material layer. Thereafter, the pattern mask may be removed, and another pattern mask may be disposed on a part of the first active material layer and the second pattern to form the first pattern. Thereafter, the slurry for forming the first pattern may be applied and dried, and then rolled to form a first pattern having a specific thickness. Thereafter, the pattern mask may be removed. The manufacturing method is not necessarily limited thereto, and in some cases, the first pattern and the second pattern may be formed using an etching process.
상기 제1 활물질층의 제1 활물질 입자, 바인더, 및 도전재는 94 내지 98 : 2 내지 4 : 0.3 내지 2의 중량비로 포함될 수 있으며, 제1 패턴 내의 제1 패턴 활물질 입자, 바인더 및 도전재는 94 내지 98 : 2 내지 4 : 0.3 내지 2의 중량비로 포함될 수 있으며, 제2 패턴 내의 제2 패턴 활물질 입자, 바인더 및 도전재는 94 내지 98 : 2 내지 4 : 0.3 내지 2의 중량비로 포함될 수 있다. The first active material particles, the binder, and the conductive material of the first active material layer may be included in a weight ratio of 94 to 98: 2 to 4: 0.3 to 2, and the first pattern active material particles, the binder and the conductive material in the first pattern may be 94 to 98. 98: 2 to 4: 0.3 to 2 may be included, the second pattern active material particles, the binder and the conductive material in the second pattern may be included in a weight ratio of 94 to 98: 2 to 4: 0.3 to 2.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 음극, 양극, 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막, 및 전해질을 포함할 수 있으며, 상기 음극은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극일 수 있다.A secondary battery according to another embodiment of the present invention may include a negative electrode, a positive electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte, and the negative electrode may be an electrode according to an embodiment of the present invention. .
상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 형성되며, 상기 양극활물질을 포함하는 양극활물질층을 포함할 수 있다.The positive electrode may be formed on the positive electrode current collector and the positive electrode current collector, and may include a positive electrode active material layer including the positive electrode active material.
상기 양극에 있어서, 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 양극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.In the positive electrode, the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it is conductive without causing chemical change in the battery. For example, the positive electrode current collector is made of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or carbon on the surface of aluminum or stainless steel. Surface treated with nickel, titanium, silver, or the like may be used. In addition, the positive electrode current collector may have a thickness of about 3 to 500 μm, and may form fine irregularities on the surface of the current collector to increase adhesion of the positive electrode active material. For example, it can be used in various forms, such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, a nonwoven body.
상기 양극 활물질은 통상적으로 사용되는 양극 활물질일 수 있다. 구체적으로, 상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; LiFe3O4 등의 리튬 철 산화물; 화학식 Li1 + c1Mn2 - c1O4 (0≤c1≤0.33), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - c2Mc2O2 (여기서, M은 Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 및 Ga으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤c2≤0.3를 만족한다)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - c3Mc3O2 (여기서, M은 Co, Ni, Fe, Cr, Zn 및 Ta 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤c3≤0.1를 만족한다) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M은 Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이다.)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 상기 양극은 Li-metal일 수도 있다.The cathode active material may be a cathode active material that is commonly used. Specifically, the cathode active material may be a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a compound substituted with one or more transition metals; Lithium iron oxides such as LiFe 3 O 4 ; Lithium manganese oxides such as Li 1 + c1 Mn 2 - c1 O 4 (0 ≦ c1 ≦ 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 ; Lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , V 2 O 5 , Cu 2 V 2 O 7, and the like; Formula LiNi 1 - c2 M c2 O 2 ( where, M is a least one selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B and Ga, satisfies 0.01≤c2≤0.3) expressed in Ni-site type lithium nickel oxide; Formula LiMn 2 - c3 M c3 O 2 ( where, M is Co, Ni, Fe, Cr, Zn , and is at least one selected from the group consisting of Ta, satisfies 0.01≤c3≤0.1) or Li 2 Mn 3 MO A lithium manganese composite oxide represented by 8 (wherein M is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, and Zn); LiMn 2 O 4 in which Li in the formula is substituted with alkaline earth metal ions Although these etc. are mentioned, it is not limited only to these. The anode may be Li-metal.
상기 양극활물질층은 앞서 설명한 양극 활물질과 함께, 양극 도전재 및 양극 바인더를 포함할 수 있다.The cathode active material layer may include a cathode conductive material and a cathode binder together with the cathode active material described above.
이때, 상기 양극 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. In this case, the cathode conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and in the battery constituted, the cathode conductive material may be used without particular limitation as long as it has electron conductivity without causing chemical change. Specific examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black and carbon fiber; Metal powder or metal fibers such as copper, nickel, aluminum, and silver; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Or conductive polymers such as polyphenylene derivatives, and the like, or a mixture of two or more kinds thereof may be used.
또, 상기 양극 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 양극 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.In addition, the positive electrode binder serves to improve adhesion between the positive electrode active material particles and the positive electrode active material and the positive electrode current collector. Specific examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, carboxymethyl cellulose (CMC). ), Starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubbers, or various copolymers thereof, and the like, and one or a mixture of two or more thereof may be used.
분리막으로는 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 이차 전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.The separator separates the negative electrode from the positive electrode and provides a passage for lithium ions, and can be used without particular limitation as long as the separator is used as a separator in a secondary battery. In particular, it has a low resistance to ion migration of the electrolyte and an excellent ability to hydrate the electrolyte. It is preferable. Specifically, a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of a polyolefin-based polymer such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene / butene copolymer, ethylene / hexene copolymer and ethylene / methacrylate copolymer or the like Laminate structures of two or more layers may be used. In addition, conventional porous nonwoven fabrics such as nonwoven fabrics made of high melting point glass fibers, polyethylene terephthalate fibers and the like may be used. In addition, a coated separator including a ceramic component or a polymer material may be used to secure heat resistance or mechanical strength, and may be optionally used as a single layer or a multilayer structure.
상기 전해질은 전해질로는 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.The electrolyte may include an organic liquid electrolyte, an inorganic liquid electrolyte, a solid polymer electrolyte, a gel polymer electrolyte, a solid inorganic electrolyte, a molten inorganic electrolyte, and the like, which can be used in manufacturing a lithium secondary battery, but are not limited thereto.
구체적으로, 상기 전해질은 비수계 유기용매와 금속염을 포함할 수 있다. Specifically, the electrolyte may include a non-aqueous organic solvent and a metal salt.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.As the non-aqueous organic solvent, for example, N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butylo lactone, 1,2-dime Methoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolon, formamide, dimethylformamide, dioxoron, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, Methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxorone derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, pyrion An aprotic organic solvent such as methyl acid or ethyl propionate can be used.
특히, 상기 카보네이트계 유기 용매 중 고리형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기 용매로서 유전율이 높아 리튬염을 잘 해리시키므로 바람직하게 사용될 수 있으며, 이러한 고리형 카보네이트에 디메틸카보네이트 및 디에틸카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 높은 전기 전도율을 갖는 전해질을 만들 수 있어 더욱 바람직하게 사용될 수 있다. In particular, ethylene carbonate and propylene carbonate, which are cyclic carbonates among the carbonate-based organic solvents, may be preferably used as high-viscosity organic solvents because they have high dielectric constants to dissociate lithium salts well, such as dimethyl carbonate and diethyl carbonate. When the same low viscosity, low dielectric constant linear carbonate is mixed and used in an appropriate ratio, an electrolyte having a high electrical conductivity can be made, and thus it can be more preferably used.
상기 금속염은 리튬염을 사용할 수 있고, 상기 리튬염은 상기 비수 전해액에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.The metal salt may be a lithium salt, the lithium salt is a material that is readily soluble in the non-aqueous electrolyte, for example, is in the lithium salt anion F -, Cl -, I - , NO 3 -, N (CN ) 2 -, BF 4 -, ClO 4 -, PF 6 -, (CF 3) 2 PF 4 -, (CF 3) 3 PF 3 -, (CF 3) 4 PF 2 -, (CF 3) 5 PF - , (CF 3) 6 P - , CF 3 SO 3 -, CF 3 CF 2 SO 3 -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (FSO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2 ) 2 CH -, (SF 5) 3 C -, (CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 (CF 2) 7 SO 3 -, CF 3 CO 2 -, CH 3 CO 2 -, SCN - can be used at least one member selected from the group consisting of - and (CF 3 CF 2 SO 2) 2 N.
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다.In addition to the electrolyte components, the electrolyte includes, for example, haloalkylene carbonate-based compounds such as difluoro ethylene carbonate, pyridine, tri, etc. for the purpose of improving battery life characteristics, reducing battery capacity, and improving discharge capacity of the battery. Ethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N, N-substituted imida One or more additives such as zolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy ethanol or aluminum trichloride may be included.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 이차 전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공한다. 상기 전지 모듈 및 전지 팩은 고용량, 높은 율속 특성 및 사이틀 특성을 갖는 상기 이차 전지를 포함하므로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템으로 이루어진 군에서 선택되는 중대형 디바이스의 전원으로 이용될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, a battery module including the secondary battery as a unit cell and a battery pack including the same are provided. Since the battery module and the battery pack include the secondary battery having high capacity, high rate characteristics, and cycle characteristics, a medium-large device selected from the group consisting of an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, and a power storage system It can be used as a power source.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 상기 실시예는 본 기재를 예시하는 것일 뿐 본 기재의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments are provided to aid in understanding the present invention, but the above embodiments are merely illustrative of the present disclosure, and it is apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope and spirit of the present disclosure. It is natural that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.
실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples
실시예Example 1: 전지의 제조 1: Preparation of Battery
(1) 음극의 제조(1) Preparation of Cathode
1) 제1 활물질층의 형성1) Formation of First Active Material Layer
평균 입경(D50)이 20.4㎛인 인조흑연, 도전재인 카본 블랙, 바인더인 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 및 스티렌 부타디엔 고무(SBR)을 95.8:1:1.7:1.5의 중량비로 혼합하여 혼합물 5g을 제조하였다. 상기 혼합물에 증류수를 28.9g 첨가하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 두께가 20㎛인 구리 집전체에 도포 및 건조시켰다. 이 때, 순환되는 공기의 온도는 120℃였다. 이 후, 압연 공정을 진행하여, 두께가 50㎛인 제1 활물질층을 형성하였다.Artificial graphite having an average particle diameter (D 50 ) of 20.4 μm, carbon black as a conductive material, carboxymethyl cellulose (CMC) as a binder, and styrene butadiene rubber (SBR) were mixed at a weight ratio of 95.8: 1: 1.7: 1.5 to prepare 5 g of a mixture. It was. 28.9 g of distilled water was added to the mixture to prepare a negative electrode slurry. The negative electrode slurry was applied and dried to a copper current collector having a thickness of 20 μm. At this time, the temperature of the air circulated was 120 ° C. Thereafter, the rolling process was performed to form a first active material layer having a thickness of 50 μm.
2) 제2 패턴의 형성2) formation of the second pattern
제2 패턴 활물질 입자인 평균 입경(D50)이 15㎛인 천연흑연, 도전재인 카본 블랙, 바인더인 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 및 스티렌 부타디엔 고무(SBR)을 95.8:1:1.7:1.5의 중량비로 혼합하여 혼합물 5g을 제조하였다. 상기 혼합물에 증류수를 28.9g 첨가하여 음극 슬러리를 제조하였다. 한편, 제1 활물질층의 일부 에 패턴 마스크 배치시킨 뒤, 상기 음극 슬러리를 도포 및 건조시켰다. 이 때, 순환되는 공기의 온도는 120℃였다. 이 후, 패턴 마스크를 제거하고, 압연 공정을 진행하여, 두께가 20㎛이고 공극률이 25%인 제2 패턴을 형성하였다.Natural graphite having an average particle diameter (D 50 ) of the second pattern active material particles of 15 μm, carbon black as a conductive material, carboxymethyl cellulose (CMC) as a binder, and styrene butadiene rubber (SBR) in a weight ratio of 95.8: 1: 1.7: 1.5 5 g of the mixture was prepared by mixing. 28.9 g of distilled water was added to the mixture to prepare a negative electrode slurry. On the other hand, after placing a pattern mask on a part of the first active material layer, the negative electrode slurry was applied and dried. At this time, the temperature of the air circulated was 120 ° C. Thereafter, the pattern mask was removed and the rolling process was performed to form a second pattern having a thickness of 20 µm and a porosity of 25%.
3) 제1 패턴의 형성3) formation of the first pattern
제1 패턴 활물질 입자인 평균 입경(D50)이 20㎛인 인조흑연, 도전재인 카본 블랙, 바인더인 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 및 스티렌 부타디엔 고무(SBR)을 95.8:1:1.7:1.5의 중량비로 혼합하여 혼합물 5g을 제조하였다. 상기 혼합물에 증류수를 28.9g 첨가하여 음극 슬러리를 제조하였다. 한편, 제1 활물질층 상의 일부 및 제2 패턴 상에 패턴 마스크 배치시킨 뒤, 상기 음극 슬러리를 상기 제1 활물질층 상에 도포한 뒤, 건조시켰다. 이 때, 순환되는 공기의 온도는 120℃였다. 이 후, 패턴 마스크를 제거하고, 압연 공정을 진행하여, 두께가 40㎛이고 공극률이 25%인 제1 패턴을 형성하였다.Artificial graphite having an average particle diameter (D 50 ) of the first pattern active material particles having a particle size of 20 μm, carbon black as a conductive material, carboxymethyl cellulose (CMC) as a binder, and styrene butadiene rubber (SBR) in a weight ratio of 95.8: 1: 1.7: 1.5 5 g of the mixture was prepared by mixing. 28.9 g of distilled water was added to the mixture to prepare a negative electrode slurry. On the other hand, after placing a pattern mask on a part of the first active material layer and the second pattern, the negative electrode slurry was applied on the first active material layer, and then dried. At this time, the temperature of the air circulated was 120 ° C. Thereafter, the pattern mask was removed, and the rolling process was performed to form a first pattern having a thickness of 40 μm and a porosity of 25%.
4) 건조 및 타발 공정4) drying and punching process
이 후, 제1 활물질층, 제1 패턴, 제2 패턴이 형성된 집전체를 130℃의 진공 오븐에서 12시간동안 건조시킨 뒤, 1.4875cm2의 원형으로 타발하여 음극을 제조하였다.Thereafter, the current collector on which the first active material layer, the first pattern, and the second pattern were formed was dried in a vacuum oven at 130 ° C. for 12 hours, and then punched into a circle of 1.4875 cm 2 to prepare a negative electrode.
(2) 전지의 제조(2) production of batteries
1.7671cm2의 원형으로 절단된 리튬 금속 박막을 음극으로 하고, 상기 제조된 음극을 양극으로 이용하여 전지를 제조하였다. 구체적으로, 상기 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 분리막을 게재하여 전극 조립체를 제조하였다. 한편, 에틸렌 카보네이트(EC)와 에틸메틸 카보네이트(EMC)의 혼합 부피바 7:3인 혼합 용액에 0.5중량%로 용해된 비닐렌 카보네이트(VC)를 용해시키고, LiPF6를 용해(1M 농도)시켜 전해액을 제조하였다. 상기 전해액을 상기 전극 조립체에 주입하여 리튬 코인 하프 셀을 제조하였다.A battery was manufactured using a lithium metal thin film cut into a round shape of 1.7671 cm 2 as a negative electrode, and using the prepared negative electrode as a positive electrode. Specifically, an electrode assembly was prepared by placing a separator of porous polyethylene between the anode and the cathode. Meanwhile, vinylene carbonate (VC) dissolved at 0.5% by weight was dissolved in a mixed solution of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) at a volume of 7: 3, and LiPF 6 was dissolved (1 M concentration). An electrolyte solution was prepared. The electrolyte was injected into the electrode assembly to prepare a lithium coin half cell.
실시예Example 2: 전지의 제조 2: manufacture of a battery
(1) 음극 및 전지의 제조(1) Preparation of negative electrode and battery
제1 활물질 입자로 평균 입경(D50)이 16㎛인 천연 흑연을, 제1 패턴 활물질 입자로 평균 입경(D50)이 20㎛인 인조 흑연을, 제2 패턴 활물질 입자로 평균 입경(D50)이 15.6㎛인 인조 흑연을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 전지를 제조하였다. 이 때, 제1 활물질층의 두께는 50㎛이었다. 또한, 제1 패턴의 두께는 40㎛, 공극률은 28%였다. 또한, 제2 패턴의 두께는 20㎛, 공극률은 23%였다. The average particle size of 1 to the active material particles (D 50) is 16㎛ of the natural graphite, the average particle size in the first pattern the active material particles (D 50) is 20㎛ of the artificial graphite, the average particle size to the second pattern electrode active material particles (D 50 A negative electrode and a battery were manufactured in the same manner as in Example 1, except that artificial graphite having 15.6 μm was used. At this time, the thickness of the first active material layer was 50 μm. In addition, the thickness of the first pattern was 40 µm and the porosity was 28%. In addition, the thickness of the second pattern was 20 µm and the porosity was 23%.
실시예Example 3: 전지의 제조 3: manufacture of battery
(1) 음극 및 전지의 제조(1) Preparation of negative electrode and battery
제1 활물질 입자로 평균 입경(D50)이 20.4㎛인 인조 흑연을, 제1 패턴 활물질 입자로 평균 입경(D50)이 13㎛인 천연 흑연을, 제2 패턴 활물질 입자로 평균 입경(D50)이 16㎛인 천연 흑연을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 전지를 제조하였다. 이 때, 제1 활물질층의 두께는 50㎛이었다. 또한, 제1 패턴의 두께는 40㎛, 공극률은 28%였다. 또한, 제2 패턴의 두께는 20㎛, 공극률은 23%였다.The average particle size of 1 to the active material particles (D 50) is 20.4㎛ of the artificial graphite, the average particle size in the first pattern the active material particles (D 50) is 13㎛ of the natural graphite, the average particle size to the second pattern electrode active material particles (D 50 A negative electrode and a battery were manufactured in the same manner as in Example 1, except for using natural graphite having 16 μm). At this time, the thickness of the first active material layer was 50 μm. In addition, the thickness of the first pattern was 40 µm and the porosity was 28%. In addition, the thickness of the second pattern was 20 µm and the porosity was 23%.
비교예Comparative example 1: 전지의 제조 1: Preparation of Battery
(1) 음극 및 전지의 제조(1) Preparation of negative electrode and battery
제1 패턴의 두께를 20㎛, 제2 패턴의 두께를 40㎛으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 및 전지를 제조하였다.A negative electrode and a battery were manufactured in the same manner as in Example 1, except that the thickness of the first pattern was 20 μm and the thickness of the second pattern was 40 μm.
비교예Comparative example 2: 전지의 제조 2: manufacture of a battery
(1) 음극 및 전지의 제조(1) Preparation of negative electrode and battery
제1 패턴의 두께를 30㎛, 제2 패턴의 두께를 30㎛으로 한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 음극 및 전지를 제조하였다.A negative electrode and a battery were manufactured in the same manner as in Example 2, except that the thickness of the first pattern was 30 μm and the thickness of the second pattern was 30 μm.
비교예Comparative example 3: 전지의 제조 3: manufacture of battery
(1) 음극 및 전지의 제조(1) Preparation of negative electrode and battery
제1 패턴의 두께를 20㎛, 제2 패턴의 두께를 40㎛으로 한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 음극 및 전지를 제조하였다.A negative electrode and a battery were manufactured in the same manner as in Example 3, except that the thickness of the first pattern was 20 μm and the thickness of the second pattern was 40 μm.
실험예Experimental Example 1: 제1 패턴과 제 패턴의 부피  1: volume of the first pattern and the first pattern 팽창율Expansion rate , 전극 두께 변화율 및 사이클 특성 평가, Electrode thickness change rate and cycle characteristics evaluation
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 전지에 대해 충·방전을 수행하여, 부피 팽창율, 방전 용량, 초기 효율, 용량 유지율 및 전극 두께 변화율을 평가하였고, 이를 하기 표 1에 기재하였다.Charge and discharge were performed for the batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 to evaluate the volume expansion rate, discharge capacity, initial efficiency, capacity retention rate, and electrode thickness change rate, which are described in Table 1 below.
한편, 1회 사이클과 2회 사이클은 0.1C로 충·방전하였고, 3회 사이클부터 49회 싸이클까지는 0.5C로 충·방전을 수행하였다. 50회 사이클은 충전(리튬이 음극에 들어있는 상태)상태에서 종료하고, 용량 유지율을 평가하였다. Meanwhile, one cycle and two cycles were charged and discharged at 0.1C, and charging and discharging were performed at 0.5C from 3 cycles to 49 cycles. The 50 cycles were finished in the state of charging (with lithium in the negative electrode) and the capacity retention rate was evaluated.
충전 조건: CC(정전류)/CV(정전압)(5mV/0.005C current cut-off) Charging Conditions: CC (Constant Current) / CV (Constant Voltage) (5mV / 0.005C current cut-off)
방전 조건: CC(정전류) 조건 1.5VDischarge condition: CC (constant current) condition 1.5 V
1회 충방전 시의 결과를 통해, 방전 용량(mAh/g) 및 초기 효율(%)을 도출하였다. 구체적으로 초기 효율(%)은 다음과 같은 계산에 의해 도출되었다.Discharge capacity (mAh / g) and initial efficiency (%) were derived through the result at the time of single charge / discharge. Specifically, the initial efficiency (%) was derived by the following calculation.
초기 효율(%) = (1회 방전 후 방전 용량 / 1회 충전 용량)×100Initial efficiency (%) = (discharge capacity after 1 discharge / 1 charge capacity) x 100
용량 유지율과 전극 두께 변화율은 각각 다음과 같은 계산에 의해 도출되었다. The capacity retention rate and the electrode thickness change rate were derived by the following calculations, respectively.
용량 유지율(%) = (49회 방전 용량 / 1회 방전 용량)×100Capacity retention rate (%) = (49 discharge capacity / 1 discharge capacity) × 100
전극 두께 변화율(%) = (최종 전극 두께 변화량 / 최초 전극 두께)×100% Change in electrode thickness = (final electrode thickness change / initial electrode thickness) × 100
제1 패턴 또는 제2 패턴의 부피 팽창률은 하기 식 1로 계산되며, 하기 A는 충방전 전의 제1 패턴 또는 제2 패턴의 두께이며, 하기 B는 충방전 후의 제1 패턴 또는 제2 패턴의 두께이다.The volume expansion ratio of the first pattern or the second pattern is calculated by Equation 1 below, where A is the thickness of the first pattern or the second pattern before charge and discharge, and B is the thickness of the first pattern or the second pattern after charge and discharge. to be.
[식 1][Equation 1]
부피 팽창률 = [(B-A)/A] × 100Volume Expansion Rate = [(B-A) / A] × 100
상기 두께는 마이크로미터로 확인하였다.The thickness was confirmed by micrometer.
전지battery 제1 패턴의 부피 팽창률(%)Volume expansion rate (%) of the first pattern 제2 패턴의 부피 팽창률(%)% Volume expansion of second pattern 방전 용량(mAh/g)Discharge Capacity (mAh / g) 초기 효율(%)Initial Efficiency (%) 용량 유지율(%)Capacity retention rate (%) 전극 두께 변화율(%)% Change in electrode thickness
실시예 1Example 1 44 66 354354 92.392.3 98.198.1 1.01.0
실시예 2Example 2 33 55 364364 94.494.4 95.895.8 1.51.5
실시예 3Example 3 55 77 362362 9494 96.796.7 1.21.2
비교예 1Comparative Example 1 44 66 354354 9191 95.095.0 2.02.0
비교예 2Comparative Example 2 44 4.54.5 358358 9292 94.394.3 2.62.6
비교예 3Comparative Example 3 55 77 355355 90.490.4 94.694.6 2.42.4
실시예 1과 비교예 1, 실시예 2와 비교예 2, 실시예 3과 비교예 3을 각각 비교하면, 실시예들의 전극 두께 변화율이 상대적으로 작고 방전 용량, 용량 유지율이 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. 이는 부피 팽창률이 상대적으로 큰 제2 패턴의 두께가 제1 패턴의 두께보다 작기 때문에, 충방전을 거듭하였을 때 양극 두께 변화가 적을 수 있으며, 제1 활물질층 중 전해액과 맞닿는 부분이 충분히 확보될 수 있기 때문으로 생각된다. Comparing Example 1, Comparative Example 1, Example 2, Comparative Example 2, Example 3 and Comparative Example 3, it can be seen that the electrode thickness change rate of the examples is relatively small, and the discharge capacity and the capacity retention ratio are relatively large. have. This is because the thickness of the second pattern having a relatively large volume expansion ratio is smaller than the thickness of the first pattern, and thus the anode thickness may be less changed when charging and discharging is repeated, and a portion of the first active material layer contacting with the electrolyte may be sufficiently secured. I think it is.

Claims (8)

  1. 집전체;Current collector;
    제1 활물질 입자를 포함하며 상기 집전체 상에 배치된 제1 활물질층; 및A first active material layer including first active material particles and disposed on the current collector; And
    상기 제1 활물질층 상에서 서로 이격되어 교대로 배치된 제1 패턴 및 제2 패턴을 포함하되,It includes a first pattern and a second pattern alternately spaced apart from each other on the first active material layer,
    상기 제1 패턴은 제1 패턴 활물질 입자를 포함하고,The first pattern includes the first pattern active material particles,
    상기 제2 패턴은 제2 패턴 활물질 입자를 포함하며,The second pattern includes second pattern active material particles,
    상기 제1 패턴의 두께는 상기 제2 패턴의 두께보다 크고,The thickness of the first pattern is greater than the thickness of the second pattern,
    상기 제2 패턴의 부피 팽창률은 상기 제1 패턴의 부피 팽창률보다 큰 음극.The volume expansion rate of the second pattern is greater than the volume expansion rate of the first pattern.
  2. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 제1 활물질 입자 및 상기 제1 패턴 활물질 입자는 인조 흑연이며,The first active material particles and the first pattern active material particles are artificial graphite,
    상기 제2 패턴 활물질 입자는 천연 흑연인 음극.The second pattern active material particles are natural graphite.
  3. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 제1 활물질 입자는 천연 흑연이며,The first active material particles are natural graphite,
    상기 제1 패턴 활물질 입자 및 상기 제2 패턴 활물질 입자는 인조 흑연이고,The first pattern active material particles and the second pattern active material particles are artificial graphite,
    상기 제2 패턴의 공극률은 상기 제1 패턴의 공극률 보다 작은 음극.The cathode of the second pattern is smaller than the porosity of the first pattern.
  4. 청구항 3에 있어서,The method according to claim 3,
    상기 1 패턴의 공극률과 제2 패턴의 공극률 차이는 5% 이상인 음극.The porosity difference between the porosity of the first pattern and the second pattern is 5% or more.
  5. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 제1 활물질 입자는 인조 흑연이고,The first active material particles are artificial graphite,
    상기 제1 패턴 활물질 입자 및 상기 제2 패턴 활물질 입자는 천연 흑연이며,The first pattern active material particles and the second pattern active material particles are natural graphite,
    상기 제2 패턴의 공극률은 상기 제1 패턴의 공극률 보다 작은 음극.The cathode of the second pattern is smaller than the porosity of the first pattern.
  6. 청구항 5에 있어서,The method according to claim 5,
    상기 1 패턴의 공극률과 제2 패턴의 공극률 차이는 5% 이상인 음극.The porosity difference between the porosity of the first pattern and the second pattern is 5% or more.
  7. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 제1 패턴의 두께는 상기 제2 패턴의 두께의 1.1배 내지 3배인 음극.The thickness of the first pattern is 1.1 to 3 times the thickness of the second pattern.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 하나의 음극;The negative electrode of any one of Claims 1-7;
    양극;anode;
    상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막; 및A separator interposed between the anode and the cathode; And
    전해질을 포함하는 이차 전지.Secondary battery comprising an electrolyte.
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