WO2022255818A1 - 리튬 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 - Google Patents

리튬 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 Download PDF

Info

Publication number
WO2022255818A1
WO2022255818A1 PCT/KR2022/007848 KR2022007848W WO2022255818A1 WO 2022255818 A1 WO2022255818 A1 WO 2022255818A1 KR 2022007848 W KR2022007848 W KR 2022007848W WO 2022255818 A1 WO2022255818 A1 WO 2022255818A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
positive electrode
lithium secondary
secondary battery
formula
weight
Prior art date
Application number
PCT/KR2022/007848
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
조치호
정왕모
김혜현
유태구
황진태
정해정
허종욱
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority to EP22816477.8A priority Critical patent/EP4160725A1/en
Priority to JP2022580497A priority patent/JP7432020B2/ja
Priority to US18/004,263 priority patent/US20230246180A1/en
Priority to CN202280005150.4A priority patent/CN115997299A/zh
Publication of WO2022255818A1 publication Critical patent/WO2022255818A1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0404—Methods of deposition of the material by coating on electrode collectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1391—Processes of manufacture of electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028—Positive electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/364—Composites as mixtures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386—Silicon or alloys based on silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/483—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides for non-aqueous cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a positive electrode for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same.
  • lithium secondary batteries having high energy density and voltage, long cycle life, and low self-discharge rate have been commercialized and widely used.
  • a method for overcoming the irreversible capacity loss of the negative electrode by using a material that can provide a lithium ion source or reservoir to the positive electrode material and is electrochemically active after the first cycle so as not to degrade the overall performance of the battery has been suggested Specifically, as a sacrificial positive electrode material or an irreversible additive (or overdischarge inhibitor), for example, a method of applying an oxide containing excess lithium, such as Li 6 CoO 4 , to the positive electrode is known.
  • conventional irreversible additives such as Li 6 CoO 4 are generally prepared by reacting cobalt oxide with excess lithium oxide.
  • the irreversible additive prepared in this way is structurally unstable and generates a large amount of oxygen gas (O 2 ) as follows as charging proceeds.
  • a side reaction or a large amount of oxygen gas may be generated inside the battery by causing a reaction during the subsequent charging and discharging process.
  • Oxygen gas generated in this way may cause volume expansion of the electrode assembly and act as one of the main factors causing deterioration in battery performance.
  • an object of the present invention is to provide a positive electrode for a lithium secondary battery having improved safety while effectively improving electrical properties of the lithium secondary battery, and a lithium secondary battery including the same.
  • the present invention in one embodiment, the present invention
  • a positive electrode mixture layer disposed on the positive electrode current collector and including a positive electrode active material, a positive electrode additive represented by Formula 1 below, a conductive material, and a binder;
  • a positive electrode for a lithium secondary battery that satisfies Equation 1 below to 1.55:
  • M 1 is W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, and At least one element selected from the group consisting of Mo,
  • p and q are 5 ⁇ p ⁇ 7 and 0 ⁇ q ⁇ 0.5, respectively;
  • R LCO represents the electrode sheet resistance when the positive electrode mixture layer does not contain the positive electrode additive represented by Formula 1,
  • R 0 represents the electrode sheet resistance when the positive electrode mixture layer contains the positive electrode additive represented by Formula 1.
  • the positive electrode for a lithium secondary battery may satisfy Equation 1 as 1.3 or less.
  • the positive electrode additive may have a tetragonal structure in which the space group is P4 2 /nmc.
  • the amount of the positive electrode additive may be 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the positive electrode mixture layer.
  • the cathode active material may be a lithium metal composite oxide represented by Formula 2 below:
  • M 2 is W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, and At least one element selected from the group consisting of Mo,
  • x, y, z, w, v and u are 1.0 ⁇ x ⁇ 1.30, 0.1 ⁇ y ⁇ 0.95, 0.01 ⁇ z ⁇ 0.5, 0.01 ⁇ w ⁇ 0.5, 0 ⁇ v ⁇ 0.2, 1.5 ⁇ u ⁇ 4.5, respectively.
  • the conductive material is a group consisting of natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Denka black, Ketjen black, Super-P, channel black, furnace black, lamp black, summer black, graphene, and carbon nanotubes It may include one or more selected from.
  • the conductive material may be included in an amount of 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the positive electrode mixture layer.
  • a positive electrode additive represented by the following formula (1) preparing a pre-dispersion solution by mixing a conductive material and a binder;
  • preparing a cathode slurry by mixing the prepared pre-dispersion solution, a cathode active material, and a binder;
  • the prepared positive electrode provides a method for producing a positive electrode for a lithium secondary battery that satisfies Equation 1 below at 1.55 or less:
  • M 1 is W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, and At least one element selected from the group consisting of Mo,
  • p and q are 5 ⁇ p ⁇ 7 and 0 ⁇ q ⁇ 0.5, respectively;
  • R LCZO represents the electrode sheet resistance when the positive electrode mixture layer contains the positive electrode additive represented by Formula 1,
  • R 0 represents the electrode sheet resistance when the positive electrode mixture layer does not contain the positive electrode additive represented by Formula 1.
  • the step of preparing the pre-dispersion solution may be performed under a relative humidity condition of 10% or less.
  • anode according to the present invention described above cathode; And it provides a lithium secondary battery comprising a separator positioned between the positive electrode and the negative electrode.
  • the negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode mixture layer positioned on the negative electrode current collector and containing an negative electrode active material, and the negative electrode active material may contain a carbon material and a silicon material.
  • the silicon material may include one or more of silicon (Si) particles and silicon oxide (SiO X , 1 ⁇ X ⁇ 2) particles, and the silicon material is 1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode mixture layer. It provides a lithium secondary battery included as part.
  • a positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention is prepared by using a pre-dispersion solution containing a positive electrode additive represented by Chemical Formula 1 in a positive electrode mixture layer as an irreversible additive, and the sheet resistance ratio of the electrode is adjusted to satisfy a specific range depending on whether the positive electrode additive is used or not.
  • Example 1 is a graph showing the sheet resistance of cathodes prepared in Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2.
  • the term "comprises” or “has” is intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
  • a part such as a layer, film, region, plate, etc. when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is described as being “on” another part, this includes not only the case where it is “directly on” the other part, but also the case where another part is present in the middle thereof. . Conversely, when a part such as a layer, film, region, plate, or the like is described as being “under” another part, this includes not only being “directly under” the other part, but also the case where there is another part in the middle. In addition, in the present application, being disposed “on” may include the case of being disposed not only on the upper part but also on the lower part.
  • main component is 50% by weight or more, 60% by weight or more, 70% by weight or more, 80% by weight or more, 90% by weight or more, 95% by weight or more, or 97.5% by weight or more based on the total weight of the composition or specific component. It may mean more than % by weight, and in some cases, it may mean the case of constituting the entire composition or specific component, that is, 100% by weight.
  • Ah is a capacity unit of a lithium secondary battery, and is referred to as an "ampere hour” and means an amount of current per hour. For example, if the battery capacity is “3000 mAh”, it means that it can be discharged for 1 hour with a current of 3000 mA.
  • the present invention in one embodiment, the present invention
  • a positive electrode for a lithium secondary battery having a positive electrode mixture layer disposed on the positive electrode current collector and including a positive electrode active material, a positive electrode additive, a conductive material, and a binder.
  • a positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention includes a positive electrode mixture layer prepared by applying, drying, and pressing a positive electrode slurry on a positive electrode current collector, wherein the positive electrode mixture layer contains a positive electrode active material, a positive electrode additive, a conductive material, and a binder have a configuration
  • the cathode additive may be lithium cobalt oxide represented by Formula 1 below:
  • M 1 is W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, and At least one element selected from the group consisting of Mo,
  • p and q are 5 ⁇ p ⁇ 7 and 0 ⁇ q ⁇ 0.5, respectively.
  • the positive electrode additive contains excess lithium and can provide lithium for lithium consumption caused by irreversible chemical and physical reactions in the negative electrode during initial charging, thereby increasing the charging capacity of the battery and reducing the irreversible capacity, thereby improving lifespan characteristics this can be improved.
  • the positive electrode additive represented by Chemical Formula 1 has a higher content of lithium ions than nickel-containing oxides commonly used in the art, so that lithium ions lost due to an irreversible reaction during initial activation of the battery can be supplemented, so that the charge and discharge of the battery capacity can be significantly improved.
  • the lithium metal oxide represented by Chemical Formula 1 may include Li 6 CoO 4 , Li 6 Co 0.5 Zn 0.5 O 4 , Li 6 Co 0.7 Zn 0.3 O 4 , and the like.
  • the positive electrode additive represented by Chemical Formula 1 may have a tetragonal crystal structure, and may be included in a space group of P4 2 /nmc having a twisted tetrahedral structure formed by a cobalt element and an oxygen element. Since the positive electrode additive has a twisted tetrahedral structure formed by elemental cobalt and oxygen atoms and is structurally unstable, when used in an amount of 5 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the positive electrode composite material layer during the manufacturing of the positive electrode, moisture or moisture in the air during the mixing process of the positive electrode slurry May cause side reactions with oxygen.
  • the present invention has the advantage of preventing the cathode additive from causing a side reaction with moisture or oxygen in the air by using a composition in which the cathode additive is pre-dispersed together with a conductive material when preparing the cathode slurry.
  • the positive electrode additive may be included in an amount of 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the positive electrode mixture layer, specifically, 0.1 to 8 parts by weight based on 100 parts by weight of the positive electrode mixture layer; 0.1 to 5 parts by weight; 1 to 10 parts by weight; 2 to 10 parts by weight; 5 to 10 parts by weight; 2 to 8 parts by weight; 3 to 7 parts by weight; or 4 to 5.5 parts by weight.
  • the content of the positive electrode additive is low, and lithium ions lost due to an irreversible reaction cannot be sufficiently compensated for, thereby preventing the charge/discharge capacity from deteriorating. It is possible to prevent a large amount of oxygen gas from being generated during charging and discharging of the battery.
  • the positive electrode for a lithium secondary battery may exhibit low electrode sheet resistance even when it contains the positive electrode additive represented by Chemical Formula 1, and thus, excellent performance during charging and discharging of the battery may be realized.
  • the positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention can implement a low sheet resistance within a certain range despite including the positive electrode additive represented by Chemical Formula 1 in the positive electrode mixture layer.
  • the positive electrode is a ratio (R LCO ) of the electrode sheet resistance (R O ) of the positive electrode not containing the positive electrode additive represented by Formula 1 to the electrode sheet resistance (R LCO ) of the positive electrode containing the positive electrode additive represented by Formula 1 / R O ) may satisfy Equation 1 below to 1.55 or less, specifically 1.5 or less, 1.4 or less, 1.3 or less, 1.2 or less, 0.2 to 1.5; 0.5 to 1.5; 0.8 to 1.5; or 0.8 to 1.3 may be satisfied:
  • R LCO represents the electrode sheet resistance when the positive electrode mixture layer does not contain the positive electrode additive represented by Formula 1,
  • R 0 represents the electrode sheet resistance when the positive electrode mixture layer contains the positive electrode additive represented by Formula 1.
  • the positive electrode active material is a positive electrode active material capable of reversible intercalation and deintercalation, and may include a lithium metal composite oxide represented by Formula 2 as a main component:
  • M 2 is W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, and At least one element selected from the group consisting of Mo,
  • x, y, z, w, v and u are 1.0 ⁇ x ⁇ 1.30, 0.1 ⁇ y ⁇ 0.95, 0.01 ⁇ z ⁇ 0.5, 0.01 ⁇ w ⁇ 0.5, 0 ⁇ v ⁇ 0.2, 1.5 ⁇ u ⁇ 4.5, respectively.
  • the lithium metal composite oxide represented by Chemical Formula 2 is a composite metal oxide containing lithium and nickel, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 , LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 , LiNi 0.9 Co 0.05 Mn 0.05 O 2 , LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.1 Al 0.1 O 2 , LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.15 Al 0.05 O 2 and LiNi 0.7 Co 0.1 Mn 0.1 Al 0.1 O 2 It may include one or more compounds that are.
  • the content of the positive electrode active material may be 85 to 95 parts by weight, specifically 88 to 95 parts by weight, 90 to 95 parts by weight, 86 to 90 parts by weight, or 92 to 95 parts by weight, based on 100 parts by weight of the positive electrode composite layer.
  • the conductive material is used to improve the electrical performance of the positive electrode, and those commonly used in the art can be applied, but specifically, natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Denka black, Ketjen At least one selected from the group consisting of black, super-P, channel black, furnace black, lamp black, summer black, graphene, and carbon nanotubes may be included.
  • the conductive material may be used alone or in combination with carbon black or Denka Black.
  • the conductive material may be included in an amount of 0.1 to 5 parts by weight, specifically 0.1 to 4 parts by weight, based on 100 parts by weight of the positive electrode mixture layer; 2-4 parts by weight; 1.5 to 5 parts by weight; 1 to 3 parts by weight; 0.1 to 2 parts by weight; or 0.1 to 1 part by weight.
  • the binder serves to bind the positive electrode active material, the positive electrode additive, and the conductive material to each other, and any binder having such a function may be used without particular limitation.
  • the binder includes polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-co-HFP), polyvinylidenefluoride (PVdF), polyacrylonitrile, polymethylmethacryl It may include at least one resin selected from the group consisting of polymethylmethacrylate and copolymers thereof.
  • the binder may include polyvinylidenefluoride.
  • the binder may include 1 to 10 parts by weight, specifically 2 to 8 parts by weight, based on the total 100 parts by weight of the mixture layer; Alternatively, 1 to 5 parts by weight of the conductive material may be included.
  • the average thickness of the mixture layer is not particularly limited, but may be specifically 50 ⁇ m to 300 ⁇ m, more specifically 100 ⁇ m to 200 ⁇ m; 80 ⁇ m to 150 ⁇ m; 120 ⁇ m to 170 ⁇ m; 150 ⁇ m to 300 ⁇ m; 200 ⁇ m to 300 ⁇ m; Or it may be 150 ⁇ m to 190 ⁇ m.
  • the positive electrode current collector one having high conductivity without causing chemical change in the battery may be used.
  • stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, etc. may be used, and aluminum or stainless steel may be surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like.
  • the positive electrode current collector may form fine irregularities on the surface to increase the adhesion of the positive electrode active material, and various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics are possible.
  • the average thickness of the current collector may be appropriately applied in the range of 3 to 500 ⁇ m in consideration of the conductivity and total thickness of the anode to be manufactured.
  • a positive electrode additive represented by the following formula (1) preparing a pre-dispersion solution by mixing a conductive material and a binder;
  • preparing a cathode slurry by mixing the prepared pre-dispersion solution, a cathode active material, and a binder;
  • the prepared positive electrode provides a method for producing a positive electrode for a lithium secondary battery that satisfies Equation 1 below at 1.55 or less:
  • M 1 is W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, and At least one element selected from the group consisting of Mo,
  • p and q are 5 ⁇ p ⁇ 7 and 0 ⁇ q ⁇ 0.5, respectively;
  • R LCZO represents the electrode sheet resistance when the positive electrode mixture layer contains the positive electrode additive represented by Formula 1,
  • R 0 represents the electrode sheet resistance when the positive electrode mixture layer does not contain the positive electrode additive represented by Formula 1.
  • a positive electrode slurry is prepared by first mixing a positive electrode additive represented by Formula 1, a conductive material, and a binder to prepare a pre-dispersion solution, and further mixing the prepared pre-dispersion solution with the positive electrode active material and the binder. Then, the positive electrode slurry may be applied on a positive electrode current collector and dried to prepare a positive electrode mixture layer.
  • the step of preparing the pre-dispersion solution is a step of mixing a positive electrode additive, a conductive material, and a binder, and may be performed in a conventional manner used in preparing a slurry in the art.
  • the step of preparing the pre-dispersion may be performed by introducing each component into a homo mixer and stirring at 1,000 to 5,000 rpm for 30 to 600 minutes, while additionally adding a solvent during the stirring. Viscosity can be controlled.
  • the positive electrode pre-dispersion solution according to the present invention is prepared by injecting the positive electrode additive, the conductive material and the binder represented by Chemical Formula 1 into a homomixer and mixing them at 3,000 rpm for 60 minutes while injecting an N-methylpyrrolidone solvent.
  • the viscosity at 25 ⁇ 1° C. can be adjusted to 7,500 ⁇ 300 cps.
  • the preparing of the pre-dispersion solution may be performed under temperature and/or humidity conditions that satisfy a specific range in order to prevent decomposition and/or damage of the structurally unstable cathode additive.
  • the step of preparing the pre-dispersion solution may be performed at a temperature condition of 40° C. or less, more specifically, 10° C. to 40° C.; 10° C. to 35° C.; 10° C. to 30° C.; 10° C. to 25° C.; 10° C. to 20° C.; 15° C. to 40° C.; 20° C. to 40° C.; 15° C. to 35° C.; Or it may be carried out at a temperature condition of 18 °C to 30 °C.
  • the step of preparing the pre-dispersion may be performed under a relative humidity (RH) condition of 10% or less, more specifically, 9% or less, 8% or less, 7% or less, 6% or less, 5% or less, It may be performed under relative humidity (RH) conditions of 4% or less, 3% or less, 2% or less, or 1% or less.
  • RH relative humidity
  • the present invention by controlling the temperature and/or humidity conditions during the preparation of the pre-dispersion solution as described above, irreversible activity is reduced by causing a side reaction with moisture and/or oxygen in the air in the process of mixing the cathode additive in the form of particulates with the conductive material, etc. can be prevented, and the sheet resistance of the positive electrode mixture layer can be implemented low.
  • a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode according to the present invention described above.
  • the lithium secondary battery according to the present invention has a small amount of oxygen gas generated during charging and discharging by including the positive electrode of the present invention described above, and can exhibit excellent charge and discharge performance.
  • the lithium secondary battery of the present invention has a structure including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • the anode is manufactured by applying, drying, and pressing an anode active material on an anode current collector, and optionally may further include a conductive material, an organic binder polymer, and an additive, as in the cathode, as needed.
  • the anode active material may include, for example, a carbon material and a silicon material.
  • the carbon material refers to a carbon material containing carbon atoms as a main component, and examples of the carbon material include graphite having a completely layered crystal structure such as natural graphite, a low-crystalline graphene structure; a hexagonal honeycomb plane of carbon soft carbon having this layered structure) and hard carbon in which these structures are mixed with amorphous portions, artificial graphite, expanded graphite, carbon fiber, non-graphitizable carbon, carbon black, acetylene black, Ketjen black, carbon It may include nanotubes, fullerenes, activated carbon, graphene, carbon nanotubes, and the like, preferably at least one selected from the group consisting of natural graphite, artificial graphite, graphene, and carbon nanotubes.
  • the carbon material includes natural graphite and/or artificial graphite, and may include at least one of graphene and carbon nanotubes together with the natural graphite and/or artificial graphite.
  • the carbon material may include 0.1 to 10 parts by weight of graphene and/or carbon nanotubes based on 100 parts by weight of the total carbon material, and more specifically, 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total carbon material. wealth; Alternatively, 0.1 to 2 parts by weight of graphene and/or carbon nanotubes may be included.
  • the silicon material is a particle containing silicon (Si) as a main component as a metal component, and may include at least one of a silicon (Si) particle and a silicon oxide (SiO X , 1 ⁇ X ⁇ 2) particle.
  • the silicon material may include silicon (Si) particles, silicon monoxide (SiO) particles, silicon dioxide (SiO 2 ) particles, or a mixture of these particles.
  • the silicon material may have a mixed form of crystalline particles and amorphous particles, and the ratio of the amorphous particles is 50 to 100 parts by weight, specifically 50 to 90 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total silicon material; It may be 60 to 80 parts by weight or 85 to 100 parts by weight.
  • the ratio of amorphous particles included in the silicon material within the above range, it is possible to improve thermal stability and flexibility of the electrode within a range that does not degrade electrical properties.
  • the silicon material includes a carbon material and a silicon material, but may be included in an amount of 1 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode mixture layer, specifically, 5 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode mixture layer; 3 to 10 parts by weight; 8 to 15 parts by weight; 13 to 18 parts by weight; or 2 to 7 parts by weight.
  • the present invention by adjusting the contents of the carbon material and the silicon material included in the negative electrode active material within the above ranges, it is possible to improve the charging capacity per unit mass while reducing lithium consumption and irreversible capacity loss during initial charging and discharging of the battery.
  • the negative electrode active material may include 95 ⁇ 2 parts by weight of graphite based on 100 parts by weight of the negative electrode mixture layer; It may include 5 ⁇ 2 parts by weight of a mixture in which silicon monoxide (SiO) particles and silicon dioxide (SiO 2 ) particles are uniformly mixed.
  • SiO silicon monoxide
  • SiO 2 silicon dioxide
  • the negative electrode mixture layer may have an average thickness of 100 ⁇ m to 200 ⁇ m, specifically, 100 ⁇ m to 180 ⁇ m, 100 ⁇ m to 150 ⁇ m, 120 ⁇ m to 200 ⁇ m, 140 ⁇ m to 200 ⁇ m, or 140 ⁇ m to 140 ⁇ m. It may have an average thickness of 160 ⁇ m.
  • the anode current collector is not particularly limited as long as it does not cause chemical change in the battery and has high conductivity.
  • copper, stainless steel, nickel, titanium, fired carbon, etc. may be used, and copper
  • surface treatment with carbon, nickel, titanium, silver, etc. may be used.
  • the negative electrode current collector may form fine irregularities on the surface to strengthen the bonding force with the negative electrode active material, and various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics are available. It is possible.
  • the average thickness of the negative electrode current collector may be appropriately applied in the range of 3 to 500 ⁇ m in consideration of the conductivity and total thickness of the negative electrode to be manufactured.
  • the separator is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used.
  • the separator is not particularly limited as long as it is commonly used in the art, but specifically, chemical resistant and hydrophobic polypropylene; glass fiber; Alternatively, a sheet or non-woven fabric made of polyethylene may be used.
  • a composite separator in which inorganic particles/organic particles are coated with an organic binder polymer may be used on a porous polymer substrate such as the sheet or non-woven fabric.
  • the electrolyte may serve as a separator.
  • the separator may have an average pore diameter of 0.01 to 10 ⁇ m and an average thickness of 5 to 300 ⁇ m.
  • the positive and negative electrodes may be rolled in a jelly roll form and stored in a cylindrical battery, prismatic battery, or pouch type battery, or may be stored in a pouch type battery in a folding or stack-and-folding form, but are not limited thereto.
  • the lithium salt-containing electrolyte solution according to the present invention may be composed of an electrolyte solution and a lithium salt, and a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, or the like may be used as the electrolyte solution.
  • non-aqueous organic solvent for example, N-methyl-2-pyrrolidinone, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butyrolactone, 1,2-dimethine Toxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxorane, formamide, dimethylformamide, dioxorane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, Methyl acetate, phosphoric acid triesters, trimethoxy methane, dioxolane derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ether, propion An aprotic organic solvent such as methyl acid or ethyl propyl
  • organic solid electrolyte examples include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphoric acid ester polymers, poly agitation lysine, polyester sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, ions
  • a polymeric material containing a sexual dissociation group or the like can be used.
  • Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 Ni 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitride, halide, sulfate, and the like of Li such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , etc. may be used.
  • the lithium salt is a material that is easily soluble in non-aqueous electrolytes, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB10Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, lithium chloroborane, lithium lower aliphatic carboxylic acid, lithium 4-phenylborate, imide and the like can be used.
  • LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB10Cl 10 LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, lithium chloroborane, lithium lower aliphatic carb
  • pyridine triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphoric acid triamide, nitro Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N,N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride, etc. may be added.
  • pyridine triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphoric acid triamide, nitro Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N,N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts
  • halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further included to impart incombustibility, and carbon dioxide gas may be further included to improve storage properties at high temperatures.
  • FEC Fluoro-Ethylene Carbonate
  • PRS Pene sultone
  • N-methylpyrrolidone was injected into a homo mixer, and Li 6 Co 0.7 Zn 0.3 O 4 5 parts by weight as a positive electrode additive based on 100 parts by weight of the solid content of the positive electrode slurry; 2 parts by weight of carbon black as a conductive material; And 1 part by weight of PVdF as a binder was weighed and added, and then first mixed at 2,000 rpm for 30 minutes to prepare a pre-dispersion solution for preparing a positive electrode. At this time, when preparing the pre-dispersion, the temperature and humidity were adjusted to 20-25 ° C and 3%, respectively.
  • the prepared positive electrode slurry was applied to one surface of an aluminum current collector, dried at 100° C., and rolled to prepare a positive electrode. At this time, the total thickness of the positive electrode mixture layer was 130 ⁇ m, and the total thickness of the prepared positive electrode was about 200 ⁇ m.
  • a positive electrode for a lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that the positive electrode additive was not used in Example 1.
  • N-methylpyrrolidone was injected into a homo mixer, and LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 91 parts by weight as a positive electrode active material based on 100 parts by weight of the solid content of the positive electrode slurry; 5 parts by weight of Li 6 Co 0.7 Zn 0.3 O 4 as a positive electrode additive; 2 parts by weight of carbon black as a conductive material; And 2 parts by weight of PVdF as a binder was weighed and added, and then mixed at 2,000 rpm for 60 minutes to prepare a cathode slurry for a lithium secondary battery. At this time, the temperature and humidity during mixing were adjusted to 20 ⁇ 25 °C and 3%, respectively.
  • the prepared positive electrode slurry was applied to one surface of an aluminum current collector, dried at 100° C., and rolled to prepare a positive electrode. At this time, the total thickness of the positive electrode mixture layer was 130 ⁇ m, and the total thickness of the prepared positive electrode was about 200 ⁇ m.
  • N-methylpyrrolidone was injected into a homo mixer, and Li 6 Co 0.7 Zn 0.3 O 4 5 parts by weight as a positive electrode additive based on 100 parts by weight of the solid content of the positive electrode slurry; And 1 part by weight of PVdF as a binder was weighed and added, and then first mixed at 2,000 rpm for 30 minutes to prepare a pre-dispersion solution for preparing a positive electrode. At this time, when preparing the pre-dispersion, the temperature and humidity were adjusted to 20-25 ° C and 3%, respectively.
  • the prepared positive electrode slurry was applied to one surface of an aluminum current collector, dried at 100° C., and rolled to prepare a positive electrode. At this time, the total thickness of the positive electrode mixture layer was 130 ⁇ m, and the total thickness of the prepared positive electrode was about 200 ⁇ m.
  • a positive electrode for a lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that the temperature and humidity were adjusted as shown in Table 1 below when preparing the pre-dispersion solution.
  • the graphite used in preparing the negative electrode mixture layer was natural graphite (average particle size: 0.01 to 0.5 ⁇ m), and silicon (SiOx) particles having an average particle size of 0.9 to 1.1 ⁇ m were used.
  • the prepared anode slurry was coated on one surface of a copper current collector, dried at 100° C., and rolled to prepare a cathode. At this time, the total thickness of the negative electrode mixture layer was 150 ⁇ m, and the total thickness of the prepared negative electrode was about 250 ⁇ m.
  • a separator (thickness: about 16 ⁇ m) made of a porous polyethylene (PE) film was stacked between the negative electrode and the positive electrode prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5, and E2DVC was injected as an electrolyte to form a full cell (full cell). ) form of the cell was fabricated.
  • PE polyethylene
  • E2DVC is a kind of carbonate-based electrolyte
  • Example 1 For the positive electrodes prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5, the sheet resistance of the electrode was measured using a 4-point probe method, and the results are shown in Table 3 and FIG. 1 below.
  • Example 2 For the lithium secondary batteries prepared in Example 2 and Comparative Examples 6 to 10, initial charging (formation) was performed at 55 ° C. under 3.5V and 1.0C conditions, and gas generated from the cathode while performing the initial charging was After degassing, the content of oxygen gas generated during initial charging was analyzed. Then, charging and discharging were repeatedly performed 50 times at 45° C. under a condition of 0.3 C each to further analyze the content of oxygen gas during each charging and discharging, and the analyzed results are shown in Table 3 below.
  • the lithium secondary batteries prepared in Example 2 and Comparative Examples 6 to 10 were charged to a charging end voltage of 4.2 to 4.25 V with a charging current of 0.1 C at a temperature of 25 ° C, and the current density at the end voltage was 0.01 C. Charge was performed until activated. Thereafter, the battery was discharged at a discharge current of 0.1C to a final voltage of 2V, and the initial charge/discharge capacity per unit mass was measured.
  • the positive electrode for a lithium secondary battery of an embodiment manufactured according to the present invention has a low sheet resistance despite containing the positive electrode additive represented by Chemical Formula 1 in the positive electrode mixture layer, and thus does not contain the positive electrode additive.
  • the difference with the sheet resistance (R 0 ) of was not large, so the R LCZO /R 0 value was less than 1.5, and the lithium secondary battery of the embodiment including this had an initial charge and discharge capacity as high as 102 Ah or more, as well as 91% or more It showed a high capacity retention rate.
  • the safety of the lithium secondary battery was high because the amount of oxygen gas generated after initial charging and discharging was significantly reduced.
  • the positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention is prepared using a pre-dispersion solution containing the positive electrode additive represented by Formula 1 in the positive electrode mixture layer as an irreversible additive, and the electrode sheet resistance ratio depending on whether the positive electrode additive is used is specified. Adjustment to satisfy the range has the advantage of not only reducing the amount of oxygen gas generated during charging and discharging, but also easily improving the charging and discharging efficiency of the lithium secondary battery.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

Abstract

본 발명은 리튬 이차전지용 양극 및 이를 함유하는 리튬 이차전지에 관한 것으로, 상기 양극은 비가역 첨가제로서 양극 합재층에 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유하는 선분산액을 이용하여 제조되고, 상기 양극 첨가제의 사용 여부에 따른 전극 면저항 비율이 특정 범위를 만족하도록 조절함으로써 충방전 시 발생되는 산소 가스량을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 리튬 이차전지의 충방전 효율을 용이하게 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

리튬 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
본 발명은 리튬 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
본 출원은 2021. 06. 03일자 대한민국 특허 출원 제10-2021-0071877호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개신된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
최근 들어, 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지며, 사이클 수명이 길고, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지의 음극 재료로서는 흑연이 주로 이용되고 있지만, 흑연은 단위질량당의 용량이 372 mAh/g로 작기 때문에, 리튬 이차전지의 고용량화가 어렵다. 이에 따라, 리튬 이차전지의 고용량화를 위해, 흑연보다도 높은 에너지 밀도를 갖는 비탄소계 음극 재료로서, 실리콘, 주석 및 이들의 산화물 등과 같이, 리튬과 금속간 화합물을 형성하는 음극 재료가 개발, 사용되고 있다. 그러나, 이러한 비탄소계 음극 재료의 경우, 용량은 크지만, 초기 효율이 낮아 초기 충방전 동안의 리튬 소모량이 크고, 비가역 용량 손실이 크다는 문제가 있다.
이와 관련하여, 양극 재료에 리튬 이온 공급원 또는 저장소를 제공할 수 있으며, 전지 전체의 성능을 저하시키지 않도록 최초 사이클 후에 전기화학적으로 활성을 나타내는 재료를 사용하여, 음극의 비가역 용량 손실을 극복하고자 하는 방법이 제안되었다. 구체적으로 희생 양극재 또는 비가역 첨가제(또는 과방전 방지제)로서, 예를 들어, Li6CoO4와 같이 과량의 리튬을 포함하는 산화물을 양극에 적용하는 방법이 알려져 있다.
한편, 상기 Li6CoO4와 같은 기존의 비가역 첨가제는 일반적으로 코발트 산화물 등을, 과량의 리튬 산화물과 반응시켜 제조된다. 이렇게 제조된 비가역 첨가제는 구조적으로 불안정하여 충전이 진행됨에 따라 하기와 같이 다량의 산소 가스(O2)를 발생시키는데, 이차전지의 초기 충전, 즉 전지의 활성화 시 비가역 첨가제가 모두 반응하지 않고 잔류하는 경우 이후 수행되는 충방전 과정에서 반응을 일으켜 전지 내부에 부반응이나 다량의 산소 가스를 발생시킬 수 있다. 이렇게 발생한 산소 기체는 전극 조립체의 부피 팽창 등을 유발하여, 전지 성능의 저하를 초래하는 주된 요인의 하나로 작용할 수 있다.
Figure PCTKR2022007848-appb-img-000001
또한, 종래 통상적으로 사용되고 있는 비가역 첨가제는 2D 침투 네트워크(2D percolating network)로 인하여 거의 부도체에 가까운 ~10-11 S/㎝의 매우 낮은 분체 전기 전도도를 나타낸다. 이러한 낮은 분체 전기 전도도는 양극의 전기 저항을 높이는데, 이 경우 낮은 C 레이트 (C-rate)에서는 200 mAh/g 이상의 큰 용량을 나타내나, C 레이트 (C-rate)가 증가하면 큰 저항으로 인해 충방전이 진행됨에 따라 성능이 빠르게 감소하므로 전지의 충방전 용량이 감소하고, 고속 충방전이 어려운 한계가 있다.
따라서, 리튬 이차전지의 전기적 성능을 우수할 뿐만 아니라 전지의 안전성이 개선된 리튬 이차전지에 대한 개발이 요구되고 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
대한민국 공개특허공보 제10-2019-0064423호
이에, 본 발명의 목적은 리튬 이차전지의 전기적 물성을 유효하게 향상시키면서, 안전성이 개선된 리튬 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는데 있다.
상술된 문제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
양극 집전체, 및
상기 양극 집전체 상에 위치하며, 양극활물질, 하기 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극 합재층을 구비하고;
하기 식 1을 1.55 이하로 만족하는 리튬 이차전지용 양극을 제공한다:
[화학식 1]
LipCo(1-q)M1 qO4
상기 화학식 1에서,
M1은 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고,
p 및 q는 각각 5≤p≤7 및 0≤q≤0.5이며;
[식 1]
RLCO/R0
식 1에 있어서,
RLCO는 양극 합재층에 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유하지 않는 경우의 전극 면저항을 나타내고,
R0는 양극 합재층에 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유하는 경우의 전극 면저항을 나타낸다.
구체적으로, 상기 리튬 이차전지용 양극은 식 1을 1.3 이하로 만족할 수 있다.
또한, 양극 첨가제는 공간군이 P42/nmc인 정방정계 구조(tetragonal structure)를 가질 수 있다.
아울러, 상기 양극 첨가제의 함량은 양극 합재층 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부일 수 있다.
또한, 상기 양극활물질은 하기 화학식 2로 나타내는 리튬 금속 복합 산화물일 수 있다:
[화학식 2]
Lix[NiyCozMnwM2 v]Ou
상기 화학식 2에 있어서,
M2는 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고,
x, y, z, w, v 및 u는 각각 1.0≤x≤1.30, 0.1≤y<0.95, 0.01<z≤0.5, 0.01<w≤0.5, 0≤v≤0.2, 1.5≤u≤4.5이다.
이와 더불어, 상기 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 수퍼-P, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 그래핀 및 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 도전재는 양극 합재층 100 중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부로 포함될 수 있다.
또한, 본 발명은 일실시예에서,
하기 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제; 도전재 및 바인더를 혼합하여 선분산액을 제조하는 단계;
제조된 선분산액, 양극활물질 및 바인더를 혼합하여 양극 슬러리를 제조하는 단계; 및
양극 집전체 상에 상기 양극 슬러리를 도포하여 양극 합재층을 제조하는 단계;를 포함하고,
제조된 양극은 하기 식 1을 1.55 이하로 만족하는 리튬 이차전지용 양극의 제조방법을 제공한다:
[화학식 1]
LipCo(1-q)M1 qO4
상기 화학식 1에서,
M1은 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고,
p 및 q는 각각 5≤p≤7 및 0≤q≤0.5이며;
[식 1]
RLCZO/R0
식 1에 있어서,
RLCZO는 양극 합재층에 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유하는 경우의 전극 면저항을 나타내고,
R0는 양극 합재층에 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유하지 않는 경우의 전극 면저항을 나타낸다.
여기서, 상기 선분산액을 제조하는 단계는 10% 이하의 상대습도 조건에서 수행될 수 있다.
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
상술된 본 발명에 따른 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
이때, 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 위치하고 음극활물질을 함유하는 음극 합재층을 구비하고, 상기 음극활물질은 탄소 물질 및 실리콘 물질을 함유할 수 있다.
또한, 상기 실리콘 물질은 규소(Si) 입자 및 산화규소(SiOX, 1≤X≤2) 입자 중 1종 이상을 포함할 수 있으며, 실리콘 물질은 음극 합재층 100 중량부에 있어서 1 내지 20 중량부로 포함되는 리튬 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극은 비가역 첨가제로서 양극 합재층에 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유하는 선분산액을 이용하여 제조되고 상기 양극 첨가제의 사용 여부에 따른 전극 면저항 비율이 특정 범위를 만족하도록 조절함으로써, 충방전 시 발생되는 산소 가스량을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 리튬 이차전지의 충방전 효율을 용이하게 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 양극의 면저항을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부 뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
아울러, 본 발명에서, "주성분"이란 조성물 또는 특정 성분의 전체 중량에 대하여 50 중량% 이상, 60 중량% 이상, 70 중량% 이상, 80 중량% 이상, 90중량% 이상, 95 중량% 이상 또는 97.5 중량% 이상인 것을 의미할 수 있으며, 경우에 따라서는 조성물 또는 특정 성분 전체를 구성하는 경우, 즉 100 중량%를 의미할 수도 있다.
또한, 본 발명에서, "Ah"는 리튬 이차전지의 용량 단위로서, "암페어아워"라 하며 시간당 전류량을 의미한다. 예컨대, 전지 용량이 "3000 mAh"이라면 3000mA의 전류로 1시간 동안 방전시킬 수 있음을 의미한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
리튬 이차전지용 양극
본 발명은 일실시예에서,
양극 집전체, 및
상기 양극 집전체 상에 위치하며, 양극활물질, 양극 첨가제, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극 합재층을 구비하는 리튬 이차전지용 양극을 제공한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극은 양극 집전체 상에 양극 슬러리를 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되는 양극 합재층을 포함하며, 상기 양극 합재층은 양극활물질, 양극 첨가제, 도전재 및 바인더를 함유하는 구성을 갖는다.
이때, 상기 양극 첨가제는 하기 화학식 1로 나타내는 리튬 코발트 산화물일 수 있다:
[화학식 1]
LipCo(1-q)M1 qO4
상기 화학식 1에서,
M1은 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고,
p 및 q는 각각 5≤p≤7 및 0≤q≤0.5이다.
상기 양극 첨가제는 리튬을 과함유하여 초기 충전 시 음극에서의 비가역적인 화학적 물리적 반응으로 인해 발생된 리튬 소모에 리튬을 제공할 수 있으며, 이에 따라 전지의 충전 용량이 증가하고 비가역 용량이 감소하여 수명 특성이 개선될 수 있다.
그 중에서도 상기 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제는 당업계에서 통용되고 있는 니켈 함유 산화물과 비교하여 리튬 이온의 함유량이 높아 전지의 초기 활성화 시 비가역 반응으로 손실된 리튬 이온을 보충할 수 있으므로, 전지의 충방전 용량을 현저히 향상시킬 수 있다. 또한, 당업계에서 통용되고 있는 철 및/또는 망간 함유 산화물과 비교하여 전지의 충방전 시 전이금속의 용출로 인하여 발생되는 부반응이 없으므로 전지의 안정성이 뛰어난 이점이 있다. 이러한 화학식 1로 나타내는 리튬 금속 산화물로는 Li6CoO4, Li6Co0.5Zn0.5O4, Li6Co0.7Zn0.3O4 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제는 정방정계(tetragonal) 결정 구조를 가질 수 있으며, 이 중에서도 코발트 원소와 산소 원소가 이루는 뒤틀린 사면체 구조를 갖는 P42/nmc의 공간군에 포함될 수 있다. 상기 양극 첨가제는 코발트 원소와 산소 원가가 이루는 뒤틀린 사면체 구조를 가져 구조적으로 불안정하므로, 양극 제조 시 양극 합재층 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하로 사용되는 경우 양극 슬러리의 혼합 과정에서 공기 중 수분이나 산소와 부반응을 초래할 수 있다. 그러나, 본 발명은 상기 양극 첨가제를 양극 슬러리 제조 시, 양극 첨가제를 도전재와 함께 선분산한 조성물을 사용함으로써 양극 첨가제가 공기 중의 수분이나 산소와 부반응을 일으키는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.
아울러, 상기 양극 첨가제는 양극 합재층 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부로 포함될 수 있고, 구체적으로는 양극 합재층 100 중량부에 대하여 0.1 내지 8 중량부; 0.1 내지 5 중량부; 1 내지 10 중량부; 2 내지 10 중량부; 5 내지 10 중량부; 2 내지 8 중량부; 3 내지 7 중량부; 또는 4 내지 5.5 중량부로 포함될 수 있다. 본 발명은 양극 첨가제의 함량을 상기 범위로 조절함으로써 양극 첨가제의 함량이 낮아 비가역 반응에 의해 손실된 리튬 이온을 충분히 보충하지 못해 충방전 용량이 저하되는 것을 방지할 수 있으며, 과량의 양극 첨가제로 인해 전지의 충방전 시 산소 가스가 다량 발생하는 것을 방지할 수 있다.
나아가, 상기 리튬 이차전지용 양극은 화학식 1로 나타낸 양극 첨가제를 함유하여도 낮은 전극 면저항을 나타낼 수 있으며, 이에 따라 전지의 충방전 시 우수한 성능을 구현할 수 있다.
구체적으로, 종래 통상적으로 사용되는 비가역 첨가제들은 약 10-11 S/㎝ 정도의 현저히 낮은 분체 전기 전도도를 나타내어 전지의 충방전 시 전극에 부여되는 저항이 높은 문제가 있다. 그러나, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극은 양극 합재층에 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 포함함에도 불구하고, 일정 범위의 낮은 면저항을 구현할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 양극은 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유하는 양극의 전극 면저항(RLCO)에 대한 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유하지 않는 양극의 전극 면저항(RO)의 비율(RLCO/RO)을 나타내는 하기 식 1을 1.55 이하로 만족할 수 있으며, 구체적으로는 1.5 이하, 1.4 이하, 1.3 이하, 1.2 이하, 0.2 내지 1.5; 0.5 내지 1.5; 0.8 내지 1.5; 또는 0.8 내지 1.3로 만족할 수 있다:
[식 1]
RLCO/R0
식 1에 있어서,
RLCO는 양극 합재층에 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유하지 않는 경우의 전극 면저항을 나타내고,
R0는 양극 합재층에 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유하는 경우의 전극 면저항을 나타낸다.
한편, 상기 양극활물질은 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 양극활물질로서, 하기 화학식 2로 나타내는 리튬 금속 복합 산화물을 주성분으로 포함할 수 있다:
[화학식 2]
Lix[NiyCozMnwM2 v]Ou
상기 화학식 2에 있어서,
M2는 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고,
x, y, z, w, v 및 u는 각각 1.0≤x≤1.30, 0.1≤y<0.95, 0.01<z≤0.5, 0.01<w≤0.5, 0≤v≤0.2, 1.5≤u≤4.5이다.
상기 화학식 2로 나타내는 리튬 금속 복합 산화물은 리튬과 니켈을 포함하는 복합 금속 산화물로서, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2, LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2, LiNi0.6Co0.2Mn0.1Al0.1O2, LiNi0.6Co0.2Mn0.15Al0.05O2 및 LiNi0.7Co0.1Mn0.1Al0.1O2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 양극활물질의 함량은 양극 합재층 100 중량부에 대하여 85 내지 95 중량부 일 수 있고, 구체적으로는 88 내지 95 중량부, 90 내지 95 중량부, 86 내지 90 중량부 또는 92 내지 95 중량부일 수 있다.
이와 더불어, 상기 도전재는 양극의 전기적 성능을 향상시키기 위해 사용되는 것으로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 것을 적용할 수 있으나, 구체적으로는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 수퍼-P, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 그래핀 및 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 도전재는 카본 블랙 또는 덴카 블랙을 단독으로 사용하거나 병용할 수 있다.
또한, 상기 도전재는 양극 합재층 100 중량부에 대하여 0.1~5 중량부로 포함할 수 있고, 구체적으로는 0.1~4 중량부; 2~4 중량부; 1.5~5 중량부; 1~3 중량부; 0.1~2 중량부; 또는 0.1~1 중량부로 포함할 수 있다.
아울러, 상기 바인더는 양극활물질, 양극 첨가제 및 도전재가 서로 결착되게 하는 역할을 수행하며, 이러한 기능을 갖는 것이면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더로는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVdF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVdF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate) 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수지를 포함할 수 있다. 하나의 예로서, 상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 바인더는 합재층은 전체 100 중량부에 대하여, 1~10 중량부로 포함할 수 있고, 구체적으로는 2~8 중량부; 또는 도전재 1~5 중량부로 포함할 수 있다.
이와 더불어, 상기 합재층의 평균 두께는 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로는 50㎛ 내지 300㎛일 수 있으며, 보다 구체적으로는 100㎛ 내지 200㎛; 80㎛ 내지 150㎛; 120㎛ 내지 170㎛; 150㎛ 내지 300㎛; 200㎛ 내지 300㎛; 또는 150㎛ 내지 190㎛일 수 있다.
또한, 상기 양극은 양극 집전체로서 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 등을 사용할 수 있으며, 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 경우 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리된 것을 사용할 수도 있다. 또한, 상기 양극 집전체는 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 아울러, 상기 집전체의 평균 두께는 제조되는 양극의 도전성과 총 두께를 고려하여 3~500 ㎛에서 적절하게 적용될 수 있다.
리튬 이차전지용 양극의 제조방법
또한, 본 발명은 일실시예에서,
하기 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제; 도전재 및 바인더를 혼합하여 선분산액을 제조하는 단계;
제조된 선분산액, 양극활물질 및 바인더를 혼합하여 양극 슬러리를 제조하는 단계; 및
양극 집전체 상에 상기 양극 슬러리를 도포하여 양극 합재층을 제조하는 단계;를 포함하고,
제조된 양극은 하기 식 1을 1.55 이하로 만족하는 리튬 이차전지용 양극의 제조방법을 제공한다:
[화학식 1]
LipCo(1-q)M1 qO4
상기 화학식 1에서,
M1은 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고,
p 및 q는 각각 5≤p≤7 및 0≤q≤0.5이며;
[식 1]
RLCZO/R0
식 1에 있어서,
RLCZO는 양극 합재층에 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유하는 경우의 전극 면저항을 나타내고,
R0는 양극 합재층에 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유하지 않는 경우의 전극 면저항을 나타낸다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극의 제조방법은 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제, 도전재 및 바인더를 먼저 혼합하여 선분산액을 제조하고, 제조된 선분산액과 양극활물질 및 바인더를 추가 혼합하여 양극 슬러리를 제조한 다음, 상기 양극 슬러리를 양극 집전체 상에 도포하고 건조시켜 양극 합재층을 제조함으로써 수행될 수 있다.
여기서, 상기 선분산액을 제조하는 단계는 양극 첨가제, 도전재 및 바인더를 혼합하는 단계로서, 당업계에서 슬러리 제조 시 사용되는 통상적인 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 선분산액을 제조하는 단계는 각 성분을 호모 믹서(homo mixer)에 투입하고, 30~600분 동안 1,000~5,000rpm으로 교반하여 수행될 수 있고, 상기 교반 시 용매를 추가 첨가하면서 점도를 제어할 수 있다. 하나의 예로서, 본 발명에 따른 양극용 선분산액은 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제, 도전재 및 바인더를 호모 믹서에 투입하고, 3,000rpm에서 60분 동안 혼합하면서 N-메틸피롤리돈 용매를 주입하여 25±1℃에서의 점도가 7,500±300 cps로 조절된 형태로 제조될 수 있다.
또한, 상기 선분산액을 제조하는 단계는 구조적으로 불안정한 양극 첨가제가 분해 및/또는 손상되는 것을 방지하기 위하여 특정 범위를 만족하는 온도 및/또는 습도 조건 하에서 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 선분산액을 제조하는 단계는 40℃ 이하의 온도 조건에서 수행될 수 있으며, 보다 구체적으로는 10℃ 내지 40℃; 10℃ 내지 35℃; 10℃ 내지 30℃; 10℃ 내지 25℃; 10℃ 내지 20℃; 15℃ 내지 40℃; 20℃ 내지 40℃; 15℃ 내지 35℃; 또는 18℃ 내지 30℃의 온도 조건에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 선분산액을 제조하는 단계는 10% 이하의 상대습도(RH) 조건에서 수행될 수 있으며, 보다 구체적으로는 9% 이하, 8% 이하, 7% 이하, 6% 이하, 5% 이하, 4% 이하, 3% 이하, 2% 이하, 1% 이하의 상대습도(RH) 조건에서 수행될 수 있다.
본 발명은 선분산액의 제조 시 온도 및/또는 습도 조건을 상술된 바와 같이 제어함으로써 미립자 형태의 양극 첨가제가 도전재 등과 혼합되는 과정에서 공기 중의 수분 및/또는 산소와 부반응 등을 일으켜 비가역 활성이 저하되는 것을 방지할 수 있으며, 양극 합재층의 면저항을 낮게 구현할 수 있다.
리튬 이차전지
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
상술된 본 발명에 따른 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 앞서 설명된 본 발명의 양극을 구비하여 충방전 시 발생되는 산소 가스량이 적을 뿐만 아니라, 우수한 충방전 성능을 나타낼 수 있다.
이러한 본 발명의 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 구조를 갖는다.
여기서, 상기 음극은 음극 집전체 상에 음극활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 양극에서와 같은 도전재, 유기 바인더 고분자, 첨가제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
또한, 상기 음극활물질은 예를 들어, 탄소 물질과 실리콘 물질을 포함할 수 있다. 상기 탄소 물질은 탄소 원자를 주성분으로 하는 탄소 물질을 의미하며, 이러한 탄소 물질로는 천연 흑연과 같이 층상 결정구조가 완전히 이루어진 그라파이트, 저결정성 층상 결정 구조(graphene structure; 탄소의 6각형 벌집 모양 평면이 층상으로 배열된 구조)를 갖는 소프트 카본 및 이런 구조들이 비결정성 부분들과 혼합되어 있는 하드 카본, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화 탄소, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄, 그래핀, 탄소나노튜브 등을 포함할 수 있고, 바람직하게는 천연 흑연, 인조 흑연, 그래핀 및 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 보다 바람직하게, 상기 탄소 물질은 천연 흑연 및/또는 인조 흑연을 포함하고, 상기 천연 흑연 및/또는 인조 흑연과 함께 그래핀 및 탄소나노튜브 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 탄소 물질은 탄소 물질 전체 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부의 그래핀 및/또는 탄소나노튜브를 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로는 탄소 물질 전체 100 중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부; 또는 0.1 내지 2 중량부의 그래핀 및/또는 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.
또한, 상기 실리콘 물질은 금속 성분으로 규소(Si)를 주성분으로 포함하는 입자로서, 규소(Si) 입자 및 산화규소(SiOX, 1≤X≤2) 입자 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 하나의 예로서, 상기 실리콘 물질은 규소(Si) 입자, 일산화규소(SiO) 입자, 이산화규소(SiO2) 입자, 또는 이들의 입자가 혼합된 것을 포함할 수 있다.
아울러, 상기 실리콘 물질은 결정질 입자와 비결정질 입자가 혼합된 형태를 가질 수 있으며, 상기 비결정질 입자의 비율은 실리콘 물질 전체 100 중량부에 대하여 50 내지 100 중량부, 구체적으로는 50 내지 90 중량부; 60 내지 80 중량부 또는 85 내지 100 중량부일 수 있다. 본 발명은 실리콘 물질에 포함된 비결정질 입자의 비율을 상기와 같은 범위로 제어함으로써 전극의 전기적 물성을 저하시키지 않는 범위에서 열적 안정성과 유연성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 실리콘 물질은 탄소 물질과 실리콘 물질을 포함하되, 음극 합재층 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부로 포함될 수 있으며, 구체적으로는 음극 합재층 100 중량부에 대하여 5 내지 20 중량부; 3 내지 10 중량부; 8 내지 15 중량부; 13 내지 18 중량부; 또는 2 내지 7 중량부로 포함될 수 있다.
본 발명은 음극활물질에 포함된 탄소 물질과 실리콘 물질의 함량을 상기와 같은 범위로 조절함으로써 전지의 초기 충방전 시 리튬 소모량과 비가역 용량 손실을 줄이면서 단위 질량당 충전 용량을 향상시킬 수 있다.
하나의 예로서, 상기 음극활물질은 음극 합재층 100 중량부에 대하여 흑연 95±2 중량부와; 일산화규소(SiO) 입자 및 이산화규소(SiO2) 입자가 균일하게 혼합된 혼합물 5±2 중량부를 포함할 수 있다. 본 발명은 음극활물질에 포함된 탄소 물질과 실리콘 물질의 함량을 상기와 같은 범위로 조절함으로써 전지의 초기 충방전 시 리튬 소모량과 비가역 용량 손실을 줄이면서 단위 질량당 충전 용량을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 음극 합재층은 100㎛ 내지 200㎛의 평균 두께를 가질 수 있고, 구체적으로는 100㎛ 내지 180㎛, 100㎛ 내지 150㎛, 120㎛ 내지 200㎛, 140㎛ 내지 200㎛ 또는 140㎛ 내지 160㎛의 평균 두께를 가질 수 있다.
아울러, 상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소 등을 사용할 수 있으며, 구리나 스테인리스 스틸의 경우 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리된 것을 사용할 수도 있다. 또한, 상기 음극 집전체는 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질과의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 아울러, 상기 음극 집전체의 평균 두께는 제조되는 음극의 도전성과 총 두께를 고려하여 3~500 ㎛에서 적절하게 적용될 수 있다.
또한, 상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 구체적으로는, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌; 유리섬유; 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용될 수 있으며, 경우에 따라서는, 상기 시트나 부직포와 같은 다공성 고분자 기재에 무기물 입자/유기물 입자가 유기 바인더 고분자에 의해 코팅된 복합 분리막이 사용될 수도 있다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 아울러, 상기 분리막의 기공 직경은 평균 0.01~10 ㎛이고, 두께는 평균 5~300 ㎛일 수 있다.
한편, 상기 양극과 음극은 젤리롤 형태로 권취되어 원통형 전지, 각형 전지 또는 파우치형 전지에 수납되거나, 또는 폴딩 또는 스택앤폴딩 형태로 파우치형 전지에 수납될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 따른 상기 리튬염 함유 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어질 수 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용될 수 있다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부틸로락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸설폭사이드, 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.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합재 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5Ni2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐보론산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환된 이미다졸리딘, 에틸렌글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄소 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 리튬 이차전지용 양극의 제조
호모 믹서(homo mixer)에 N-메틸피롤리돈을 주입하고, 양극 슬러리 고형분 100 중량부에 대하여 양극 첨가제로서 Li6Co0.7Zn0.3O4 5 중량부; 도전재로서 카본 블랙 2 중량부; 및 바인더로서 PVdF 1 중량부를 칭량하여 투입한 다음, 2,000rpm에서 30분 동안 1차 혼합하여 양극 제조용 선분산액을 제조하였다. 이때, 선분산액 제조 시 온도와 습도는 각각 20~25℃ 및 3%로 조절하였다.
그런 다음, 제조된 선분산액이 있는 호모 믹서에 양극 슬러리 고형분 100 중량부에 대하여 양극활물질로서 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 91 중량부; 및 바인더로서 PVdF 1 중량부를 칭량하여 투입하고, 2,500rpm에서 30분 동안 2차 혼합을 수행하여 리튬 이차전지용 양극 슬러리를 제조하였다.
제조된 양극 슬러리를 알루미늄 집전체의 일면에 도포한 다음 100℃에서 건조하고 압연하여 양극을 제조하였다. 이때 양극 합재층의 총 두께는 130㎛이었고, 제조된 양극의 총 두께는 약 200㎛이었다.
비교예 1. 리튬 이차전지용 양극의 제조
실시예 1에서 양극 첨가제를 사용하지 않는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 리튬 이차전지용 양극을 제조하였다.
비교예 2. 리튬 이차전지용 양극의 제조
호모 믹서(homo mixer)에 N-메틸피롤리돈을 주입하고, 양극 슬러리 고형분 100 중량부에 대하여 양극활물질로서 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 91 중량부; 양극 첨가제로서 Li6Co0.7Zn0.3O4 5 중량부; 도전재로서 카본 블랙 2 중량부; 및 바인더로서 PVdF 2 중량부를 칭량하여 투입한 다음, 2,000rpm에서 60분 동안 혼합하여 리튬 이차전지용 양극 슬러리를 제조하였다. 이때, 혼합 시 온도와 습도는 각각 20~25℃ 및 3%로 조절하였다.
제조된 양극 슬러리를 알루미늄 집전체의 일면에 도포한 다음 100℃에서 건조하고 압연하여 양극을 제조하였다. 이때 양극 합재층의 총 두께는 130㎛이었고, 제조된 양극의 총 두께는 약 200㎛이었다.
비교예 3. 리튬 이차전지용 양극의 제조
호모 믹서(homo mixer)에 N-메틸피롤리돈을 주입하고, 양극 슬러리 고형분 100 중량부에 대하여 양극 첨가제로서 Li6Co0.7Zn0.3O4 5 중량부; 및 바인더로서 PVdF 1 중량부를 칭량하여 투입한 다음, 2,000rpm에서 30분 동안 1차 혼합하여 양극 제조용 선분산액을 제조하였다. 이때, 선분산액 제조 시 온도와 습도는 각각 20~25℃ 및 3%로 조절하였다.
그런 다음, 제조된 선분산액이 있는 호모 믹서에 양극 슬러리 고형분 100 중량부에 대하여 양극활물질로서 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 91 중량부; 도전재로서 카본 블랙 2 중량부; 및 바인더로서 PVdF 1 중량부를 칭량하여 투입하고, 2,500rpm에서 30분 동안 2차 혼합을 수행하여 리튬 이차전지용 양극 슬러리를 제조하였다.
제조된 양극 슬러리를 알루미늄 집전체의 일면에 도포한 다음 100℃에서 건조하고 압연하여 양극을 제조하였다. 이때 양극 합재층의 총 두께는 130㎛이었고, 제조된 양극의 총 두께는 약 200㎛이었다.
비교예 4 및 5. 리튬 이차전지용 양극의 제조
선분산액 제조 시 온도와 습도를 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 조절한 것으로 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 리튬 이차전지용 양극을 제조하였다.
온도 상대습도
비교예 4 50℃ 3%
비교예 5 20~25℃ 50%
실시예 2 및 비교예 6~10. 리튬 이차전지의 제조
음극활물질인 천연 흑연 및 규소(SiOx, 단, 1≤x≤2) 입자와; 바인더인 스티렌 부타디엔 고무(SBR)를 준비하고, 양극 슬러리를 제조하는 방식과 동일한 방식으로 음극 슬러리를 준비하였다. 이때, 음극 합재층 제조 시 사용되는 흑연은 천연 흑연(평균 입도: 0.01~0.5㎛)이고, 규소(SiOx) 입자는 0.9~1.1㎛의 평균 입도를 갖는 것을 사용하였다. 준비된 음극 슬러리를 구리 집전체의 일면에 도포한 다음 100℃에서 건조하고 압연하여 음극을 제조하였다. 이때, 음극 합재층의 총 두께는 150㎛이었고, 제조된 음극의 총 두께는 약 250㎛이었다.
상기 음극과 앞서 실시예 1 및 비교예 1~5에서 제조된 양극 사이에 다공질 폴리에틸렌(PE) 필름으로 이루어진 분리막 (두께: 약 16㎛)이 개재되도록 적층하고 전해액로 E2DVC를 주입하여 풀셀(full cell) 형태의 셀을 제작하였다.
여기서, "E2DVC"란 카보네이트계 전해액의 일종으로서, 에틸렌카보네이트(EC):디메틸카보네이트(DMC):디에틸카보네이트(DEC)=1:1:1 (부피비)의 혼합물에, 리튬 헥사플루오로 포스페이트(LiPF6, 1.0M) 및 비닐카보네이트(VC, 2 중량%)를 혼합한 용액을 의미한다.
리튬 이차전지용 양극 리튬 이차전지
실시예 1 실시예 2
비교예 1 비교예 6
비교예 2 비교예 7
비교예 3 비교예 8
비교예 4 비교예 9
비교예 5 비교예 10
실험예.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극의 성능을 평가하기 위하여, 하기와 같은 실험을 수행하였다.
가) 전극 면저항 평가
실시예 1과 비교예 1~5에서 제조된 양극을 대상으로, 4점 프로브(4-point probe) 방식으로 전극의 면저항을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 3 및 도 1에 나타내었다.
나) 충방전 시 탈기된 산소 가스량 평가
실시예 2와 비교예 6~10에서 제조된 리튬 이차전지를 대상으로, 55℃에서 3.5V 및 1.0C 조건으로 초기 충전(formation)을 진행하였으며, 상기 초기 충전을 수행하면서 양극에서 발생되는 가스를 탈기하여 초기 충전 시 발생되는 산소 가스의 함량을 분석하였다. 그런 다음, 45℃에서 각각 0.3C 조건으로 50회 충방전을 반복 수행하여 각 충방전 시 산소 가스의 함량을 추가 분석하였으며, 분석된 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
다) 충방전 용량 및 유지율 평가
실시예 2와 비교예 6~10에서 제조된 리튬 이차전지를 대상으로, 25℃의 온도에서 0.1C의 충전 전류로 충전 종지전압 4.2~4.25 V까지 충전하고, 종지전압에서 전류밀도가 0.01C가 될 때까지 충전을 수행하여 활성화시켰다. 이후, 0.1C의 방전 전류로 종지전압 2V까지 방전시키고, 단위 질량당 초기 충방전 용량을 측정하였다.
그런 다음, 45℃에서 각각 0.3C 조건으로 50회 충방전을 반복 수행하면서 충방전 시 용량을 측정하였으며, 50회 충방전을 수행한 이후 충방전 용량 유지율을 산출하였다. 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
전극 저항 산소 가스 발생량 [ml/g] 초기 충방전 용량 [Ah] 용량 유지율
측정값 [Ω/㎝] RLCZO/R0 1회 충방전 50회 충방전
실시예 2 2.4±0.25 ≒1.2 86 12 103.2 92.5%
비교예 6 2.0±0.1 - 20 14 98.3 88.8%
비교예 7 5.5±0.5 ≒ 2.75 116 40 100.1 89.1%
비교예 8 3.2±0.02 ≒ 1.6 91 19 101.8 88.9%
비교예 9 3.4±0.1 ≒ 1.7 101 68 100.6 86.5%
비교예 10 3.3±0.02 ≒ 1.65 107 78 99.5 85.7%
상기 표 3 및 도 1을 참고하면, 본 발명에 따라 제조된 실시예의 리튬 이차전지용 양극은 양극 합재층에 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유함에도 불구하고 전극의 면저항이 낮아 양극 첨가제를 포함하지 않는 양극의 면저항(R0)과 차이가 크지 않아 RLCZO/R0값이 1.5 미만으로 나타났으며, 이를 포함하는 실시예의 리튬 이차전지는 초기 충방전 용량이 102 Ah 이상으로 높을 뿐만 아니라, 91% 이상의 높은 용량 유지율을 나타냈다. 또한, 상기 리튬 이차전지는 초기 충방전 이후 발생되는 산소 가스의 양이 현저히 저감되어 안전성이 높은 것으로 확인되었다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 리튬 이차전지용 양극은 비가역 첨가제로서 양극 합재층에 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유하는 선분산액을 이용하여 제조되고, 상기 양극 첨가제의 사용 여부에 따른 전극 면저항 비율이 특정 범위를 만족하도록 조절함으로써 충방전 시 발생되는 산소 가스량을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 리튬 이차전지의 충방전 효율을 용이하게 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이상에서는 본 발명 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

Claims (13)

  1. 양극 집전체, 및
    상기 양극 집전체 상에 위치하며, 양극활물질, 하기 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극 합재층을 구비하고;
    하기 식 1을 1.55 이하로 만족하는 리튬 이차전지용 양극:
    [화학식 1]
    LipCo(1-q)M1 qO4
    상기 화학식 1에서,
    M1은 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고,
    p 및 q는 각각 5≤p≤7 및 0≤q≤0.5이며;
    [식 1]
    RLCO/R0
    식 1에 있어서,
    RLCO는 양극 합재층에 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유하지 않는 경우의 전극 면저항을 나타내고,
    R0는 양극 합재층에 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유하는 경우의 전극 면저항을 나타낸다.
  2. 제1항에 있어서,
    식 1을 1.3 이하로 만족하는 리튬 이차전지용 양극.
  3. 제1항에 있어서,
    양극 첨가제는 공간군이 P42/nmc인 정방정계 구조(tetragonal structure)를 갖는 리튬 이차전지용 양극.
  4. 제1항에 있어서,
    양극 첨가제의 함량은 양극 합재층 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부인 리튬 이차전지용 양극.
  5. 제1항에 있어서,
    양극활물질은 하기 화학식 2로 나타내는 리튬 금속 복합 산화물인 리튬 이차전지용 양극:
    [화학식 2]
    Lix[NiyCozMnwM2 v]Ou
    상기 화학식 2에 있어서,
    M2는 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고,
    x, y, z, w, v 및 u는 각각 1.0≤x≤1.30, 0.1≤y<0.95, 0.01<z≤0.5, 0.01<w≤0.5, 0≤v≤0.2, 1.5≤u≤4.5이다.
  6. 제1항에 있어서,
    도전재는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 수퍼-P, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 그래핀 및 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 리튬 이차전지용 양극.
  7. 제6항에 있어서,
    도전재는 양극 합재층 100 중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부로 포함되는 리튬 이차전지용 양극.
  8. 하기 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제; 도전재 및 바인더를 혼합하여 선분산액을 제조하는 단계;
    제조된 선분산액, 양극활물질 및 바인더를 혼합하여 양극 슬러리를 제조하는 단계; 및
    양극 집전체 상에 상기 양극 슬러리를 도포하여 양극 합재층을 제조하는 단계;를 포함하고,
    제조된 양극은 하기 식 1을 1.55 이하로 만족하는 리튬 이차전지용 양극의 제조방법:
    [화학식 1]
    LipCo(1-q)M1 qO4
    상기 화학식 1에서,
    M1은 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고,
    p 및 q는 각각 5≤p≤7 및 0≤q≤0.5이며;
    [식 1]
    RLCZO/R0
    식 1에 있어서,
    RLCZO는 양극 합재층에 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유하는 경우의 전극 면저항을 나타내고,
    R0는 양극 합재층에 화학식 1로 나타내는 양극 첨가제를 함유하지 않는 경우의 전극 면저항을 나타낸다.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 선분산액을 제조하는 단계는 10% 이하의 상대습도 조건에서 수행되는 리튬 이차전지용 양극의 제조방법.
  10. 제1항에 따른 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 리튬 이차전지.
  11. 제10항에 있어서,
    음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 위치하고 음극활물질을 함유하는 음극 합재층을 구비하고,
    상기 음극활물질은 탄소 물질 및 실리콘 물질을 함유하는 리튬 이차전지.
  12. 제11항에 있어서,
    실리콘 물질은 규소(Si) 입자 및 산화규소(SiOX, 1≤X≤2) 입자 중 1종 이상을 포함하는 리튬 이차전지.
  13. 제11항에 있어서,
    실리콘 물질은 음극 합재층 100 중량부에 있어서 1 내지 20 중량부로 포함되는 리튬 이차전지.
PCT/KR2022/007848 2021-06-03 2022-06-02 리튬 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 WO2022255818A1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP22816477.8A EP4160725A1 (en) 2021-06-03 2022-06-02 Cathode for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising same
JP2022580497A JP7432020B2 (ja) 2021-06-03 2022-06-02 リチウム二次電池用正極およびこれを含むリチウム二次電池
US18/004,263 US20230246180A1 (en) 2021-06-03 2022-06-02 Positive Electrode for Lithium Secondary Battery and Lithium Secondary Battery Including the Same
CN202280005150.4A CN115997299A (zh) 2021-06-03 2022-06-02 锂二次电池用正极和包含其的锂二次电池

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2021-0071877 2021-06-03
KR1020210071877A KR20220164093A (ko) 2021-06-03 2021-06-03 리튬 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022255818A1 true WO2022255818A1 (ko) 2022-12-08

Family

ID=84324469

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2022/007848 WO2022255818A1 (ko) 2021-06-03 2022-06-02 리튬 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20230246180A1 (ko)
EP (1) EP4160725A1 (ko)
JP (1) JP7432020B2 (ko)
KR (1) KR20220164093A (ko)
CN (1) CN115997299A (ko)
WO (1) WO2022255818A1 (ko)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130079109A (ko) * 2011-12-30 2013-07-10 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR20190064424A (ko) * 2017-11-30 2019-06-10 주식회사 엘지화학 양극 첨가제, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차 전지
KR20190064423A (ko) 2017-11-30 2019-06-10 주식회사 엘지화학 양극 첨가제, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차 전지
KR20190079534A (ko) * 2017-12-27 2019-07-05 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지
US20200144659A1 (en) * 2015-06-22 2020-05-07 SiNode Systems, Inc. Cathode additives to provide an excess lithium source for lithium ion batteries
KR20200066048A (ko) * 2018-11-30 2020-06-09 주식회사 포스코 리튬 이차 전지용 양극 첨가제, 이의 제조방법, 이를 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR20210071877A (ko) 2019-12-06 2021-06-16 (주)아우라 갈색거저리 유충 오일을 유효성분으로 함유하는 모발 보호용 조성물

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150372304A1 (en) 2013-01-31 2015-12-24 Sanyo Electric Co., Ltd. Positive electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery and nonaqueous electrolyte secondary battery
WO2015016548A1 (ko) 2013-07-30 2015-02-05 주식회사 엘지화학 비가역 첨가제가 포함되어 있는 이차전지용 양극 합제
CN105940528B (zh) 2014-01-31 2019-08-02 三洋电机株式会社 非水电解质二次电池和非水电解质二次电池的制造方法
KR20210064360A (ko) 2018-09-28 2021-06-02 닝보 질량 뉴 에너지 컴퍼니 리미티드 양극 첨가제 및 그 제조방법, 양극 및 그 제조방법과 리튬이온전지
JP2020123460A (ja) 2019-01-29 2020-08-13 株式会社Ｇｓユアサ プレドープ材、プレドープ材を含む正極、並びに、その正極を備えた非水電解質二次電池の製造方法、及び、金属酸化物の製造方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130079109A (ko) * 2011-12-30 2013-07-10 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
US20200144659A1 (en) * 2015-06-22 2020-05-07 SiNode Systems, Inc. Cathode additives to provide an excess lithium source for lithium ion batteries
KR20190064424A (ko) * 2017-11-30 2019-06-10 주식회사 엘지화학 양극 첨가제, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차 전지
KR20190064423A (ko) 2017-11-30 2019-06-10 주식회사 엘지화학 양극 첨가제, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차 전지
KR20190079534A (ko) * 2017-12-27 2019-07-05 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지
KR20200066048A (ko) * 2018-11-30 2020-06-09 주식회사 포스코 리튬 이차 전지용 양극 첨가제, 이의 제조방법, 이를 포함하는 리튬 이차 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR20210071877A (ko) 2019-12-06 2021-06-16 (주)아우라 갈색거저리 유충 오일을 유효성분으로 함유하는 모발 보호용 조성물

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220164093A (ko) 2022-12-13
EP4160725A1 (en) 2023-04-05
CN115997299A (zh) 2023-04-21
JP2023532683A (ja) 2023-07-31
US20230246180A1 (en) 2023-08-03
JP7432020B2 (ja) 2024-02-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2019078503A1 (ko) 리튬 이차전지용 양극재, 이의 제조방법, 이를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 및 리튬 이차전지
WO2010030131A2 (ko) 리튬 이차전지용 양극 활물질
WO2023177169A1 (ko) 공중합체 조성물을 포함하는 바인더, 상기 바인더를 포함하는 이차전지용 음극 및 상기 음극을 포함하는 이차전지
WO2019045399A2 (ko) 리튬 이차전지
WO2019004699A1 (ko) 리튬 이차전지
WO2022182019A1 (ko) 가스 발생량이 저감된 희생 양극재 및 이의 제조방법
WO2021040388A1 (ko) 비수 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2021049918A1 (ko) 이차전지용 양극재 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2020180160A1 (ko) 리튬 이차전지
WO2020222469A1 (ko) 리튬 이차 전지용 비수 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
WO2020141953A1 (ko) 이차전지용 음극 활물질, 이를 포함하는 전극 및 이의 제조방법
WO2020213962A1 (ko) 리튬 이차전지용 비수전해액 첨가제, 이를 포함하는 리튬 이차전지용 비수전해액 및 리튬 이차전지
WO2020263023A1 (ko) 특정한 조성 조건을 가지는 리튬 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2022255665A1 (ko) 양극활물질과 비가역 첨가제를 포함하는 마스터 배치 및 이를 함유하는 리튬 이차전지용 양극 슬러리
WO2022250324A1 (ko) 양극 첨가제 및 이를 함유하는 리튬 이차전지용 양극
WO2022119313A1 (ko) 양극 활물질 전구체, 이의 제조방법 및 양극 활물질
WO2019078672A2 (ko) 이차전지용 양극활물질 제조방법 및 이를 이용하는 이차전지
WO2020180125A1 (ko) 리튬 이차전지
WO2022255669A1 (ko) 양극 첨가제 및 이를 함유하는 리튬 이차전지용 양극
WO2022182162A1 (ko) 양극 활물질, 이를 포함하는 양극 및 이차 전지
WO2022255818A1 (ko) 리튬 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2022255636A1 (ko) 리튬 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2021066462A1 (ko) 비수 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
WO2022255817A1 (ko) 리튬 이차전지 및 이의 제조방법
WO2022255816A1 (ko) 리튬 이차전지용 양극 및 이를 구비하는 리튬 이차전지

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022580497

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22816477

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022816477

Country of ref document: EP

Effective date: 20221228

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE