WO2024136628A1 - 리튬 이차 전지 - Google Patents

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WO2024136628A1
WO2024136628A1 PCT/KR2023/095116 KR2023095116W WO2024136628A1 WO 2024136628 A1 WO2024136628 A1 WO 2024136628A1 KR 2023095116 W KR2023095116 W KR 2023095116W WO 2024136628 A1 WO2024136628 A1 WO 2024136628A1
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negative electrode
silicon
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positive electrode
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박수진
권요한
이재욱
전서영
전찬수
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • This application relates to lithium secondary batteries.
  • lithium secondary batteries with high energy density and voltage, long cycle life, and low self-discharge rate have been commercialized and are widely used.
  • an electrode for such a high-capacity lithium secondary battery research is being actively conducted on methods for manufacturing a high-density electrode with a higher energy density per unit volume.
  • lithium secondary batteries are typically manufactured using a compound in which lithium is inserted, such as LiCoO 2 or LiMn 2 O 4 , for the positive electrode, and using a material in which lithium is not inserted, such as carbon-based or Si-based, for the negative electrode.
  • a compound in which lithium is inserted such as LiCoO 2 or LiMn 2 O 4
  • a material in which lithium is not inserted such as carbon-based or Si-based
  • lithium secondary batteries are typically manufactured using a compound in which lithium is inserted, such as LiCoO 2 or LiMn 2 O 4 , for the positive electrode, and using a material in which lithium is not inserted, such as carbon-based or Si-based, for the negative electrode.
  • Lithium which moves from the anode to the cathode during the charging reaction, reacts with the electrolyte to form a solid electrolyte interface (SEI), a kind of passivation film, on the surface of the cathode.
  • SEI solid electrolyte interface
  • This SEI can stabilize the structure of the cathode by preventing the decomposition reaction of the electrolyte by suppressing the movement of electrons required for the reaction between the cathode and the electrolyte, but because it is an irreversible reaction, it results in the consumption of lithium ions. In other words, the lithium consumed due to the formation of SEI does not return to the positive electrode during the subsequent discharge process, thereby reducing the capacity of the battery.
  • a method of controlling the driving potential a method of additionally coating a thin film on the active material layer, and a method of controlling the particle size of the silicon-based compound are used.
  • Various methods are being discussed, such as methods to suppress the volume expansion itself, such as the development of a binder to prevent the volume expansion of silicon-based compounds to prevent the conductive path from being disconnected.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Publication No. 2009-080971
  • the use area of the silicon-based cathode can be limited by adjusting the NP ratio and introducing a pre-lithiation process. was found out, and it was confirmed through research that lifespan characteristics can be secured accordingly.
  • this application relates to a lithium secondary battery including a silicon-based negative electrode.
  • An exemplary embodiment of the present specification includes a silicon-based anode; anode; separation membrane; and an electrolyte, wherein the positive electrode or silicon-based negative electrode is a pre-lithiated electrode, the silicon discharge capacity usage range of the silicon-based negative electrode is 35% or less of the total negative electrode discharge capacity, and the silicon discharge capacity of the silicon-based negative electrode is A lithium secondary battery is provided where the upper part is 57% or less and the lower part is 13% or more.
  • the main feature of the lithium secondary battery according to the present application is that the pre-lithiation process is applied to the silicon-based negative electrode or positive electrode, and when using the silicon-based negative electrode, the overall discharge capacity usage range is limited and the top and bottom of the discharge capacity are specifically controlled. Do it as
  • the main feature of the lithium secondary battery according to the present application is that the lifespan performance of the lithium secondary battery is secured by limiting the use area of silicon included in the negative electrode.
  • FIG. 1 is a diagram showing a lithium secondary battery according to the present application.
  • 'p to q' means a range of 'p to q or less.
  • specific surface area is measured by the BET method, and is specifically calculated from the amount of nitrogen gas adsorption under liquid nitrogen temperature (77K) using BELSORP-mino II from BEL Japan. That is, in the present application, the BET specific surface area may mean the specific surface area measured by the above measurement method.
  • Dn refers to particle size distribution and refers to the particle size at the n% point of the cumulative distribution of particle numbers according to particle size.
  • D50 is the particle size at 50% of the cumulative distribution of particle numbers according to particle size
  • D90 is the particle size at 90% of the cumulative distribution of particle numbers according to particle size
  • D10 is 10% of the cumulative distribution of particle numbers according to particle size. This is the entrance diameter at the point.
  • particle size distribution can be measured using a laser diffraction method.
  • a commercially available laser diffraction particle size measuring device for example, Microtrac S3500
  • the difference in diffraction patterns according to particle size is measured when the particles pass through the laser beam, thereby distributing the particle size. Calculate .
  • a polymer contains a certain monomer as a monomer unit means that the monomer participates in a polymerization reaction and is included as a repeating unit in the polymer.
  • this is interpreted the same as saying that the polymer contains a monomer as a monomer unit.
  • 'polymer' is understood to be used in a broad sense including copolymers, unless specified as 'homopolymer'.
  • the weight average molecular weight (Mw) and number average molecular weight (Mn) are determined by using monodisperse polystyrene polymers (standard samples) of various degrees of polymerization commercially available for molecular weight measurement as standard materials, and using gel permeation chromatography (Gel Permeation). Polystyrene equivalent molecular weight measured by chromatography (GPC). In this specification, molecular weight means weight average molecular weight unless otherwise specified.
  • An exemplary embodiment of the present specification includes a silicon-based anode; anode; separation membrane; and an electrolyte, wherein the positive electrode or silicon-based negative electrode is a pre-lithiated electrode, the silicon discharge capacity usage range of the silicon-based negative electrode is 35% or less of the total negative electrode discharge capacity, and the silicon discharge capacity of the silicon-based negative electrode is A lithium secondary battery is provided where the upper part is 57% or less and the lower part is 13% or more.
  • This application can produce a battery that can achieve high capacity and high energy density, which are the advantages of using a silicon-based anode, and at the same time solves the existing problem of deterioration of life performance due to volume expansion when repeating cycles. have it That is, the main feature of the lithium secondary battery according to the present application is that the lifespan performance of the lithium secondary battery is secured by limiting the use area of silicon included in the negative electrode.
  • Figure 1 is a diagram showing a stacked structure of a lithium secondary battery according to an exemplary embodiment of the present application.
  • the negative electrode 100 including the negative electrode active material layer 20 can be confirmed on one side of the negative electrode current collector layer 10
  • the negative electrode 100 including the positive electrode active material layer 40 on one side of the positive electrode current collector layer 50 The positive electrode 200 can be confirmed, indicating that the negative electrode 100 and the positive electrode 200 for a lithium secondary battery are formed in a stacked structure with a separator 30 in between.
  • the silicon discharge capacity usage range of the silicon-based negative electrode is 35% or less of the total negative electrode discharge capacity, and the silicon discharge capacity of the silicon-based negative electrode is 57% or less at the top and 13% or more at the bottom.
  • a secondary battery is provided.
  • a lithium secondary battery in which the NP ratio of the lithium secondary battery is 170% or more and 280% or less.
  • the NP ratio may satisfy the following equation A.
  • N/P ratio discharge capacity per unit area of the cathode/discharge capacity per unit area of the anode.
  • discharge capacity per unit area means the discharge capacity per unit area in the first cycle of the cathode or anode.
  • the discharge capacity per unit area of the cathode can be obtained by the following method. Specifically, a half-cell is manufactured with a negative electrode sample containing a negative electrode active material and a counter electrode (for example, a lithium metal electrode) opposing the negative electrode sample. The discharge capacity measured by charging and discharging the half-cell is divided by the weight of the negative electrode active material to obtain the “discharge capacity of the negative electrode sample per unit weight of the negative electrode active material.”
  • a secondary battery is manufactured with a negative electrode containing the same negative electrode active material as that used in the half-cell and a positive electrode containing the positive electrode active material.
  • discharge capacity of the negative electrode sample per unit weight of the negative electrode active material can be multiplied by the weight of the negative electrode active material included in the secondary battery and divided by the area of the negative electrode included in the secondary battery to obtain the discharge capacity per unit area of the negative electrode. there is.
  • the discharge capacity per unit area of the anode can be obtained by the following method. Specifically, a half-cell is manufactured with a positive electrode sample containing a positive electrode active material and a counter electrode (for example, a lithium metal electrode) opposing the positive electrode sample. The discharge capacity measured by charging and discharging the half-cell is divided by the weight of the positive electrode active material to obtain the “discharge capacity of the positive electrode sample per unit weight of the positive electrode active material.”
  • a secondary battery is manufactured with a positive electrode containing the same positive electrode active material as that used in the half-cell and a negative electrode containing the negative electrode active material.
  • discharge capacity of the positive electrode sample per unit weight of the positive electrode active material is multiplied by the weight of the positive electrode active material included in the secondary battery and divided by the area of the positive electrode included in the secondary battery to obtain the discharge capacity per unit area of the positive electrode. there is.
  • the lithium secondary battery according to the present application is characterized by introducing a pre-lithiation process to the positive electrode or negative electrode and limiting the USOC of the negative electrode by adjusting the NP ratio.
  • the top and bottom of the discharge capacity mean the top and bottom values of discharge-based active Li in the total loading amount of the cathode calculated as a % value based on USOC, and the loading amount and initial efficiency of the anode and the cathode It may be a value calculated from the initial efficiency of .
  • the upper silicon discharge capacity of the silicon-based negative electrode is 45% to 57%, and the lower silicon discharge capacity of the silicon-based negative electrode is 13% to 28%.
  • a lithium secondary battery is provided.
  • the upper silicon discharge capacity of the silicon-based anode may be 45% or more and 57% or less, preferably 46% or more and 53% or less, and more preferably 48% or more and 52% or less.
  • the lower silicon discharge capacity of the silicon-based anode may satisfy 13% or more and 28% or less, preferably 14% or more and 25% or less, and more preferably 16% or more and 24.5% or less.
  • a lithium secondary battery in which the difference between the top and bottom of the silicon discharge capacity is less than 35%.
  • the difference between the top and bottom of the silicon discharge capacity can be expressed as ⁇ Si, which can mean the capacity section used in the silicon-based cathode.
  • the difference between the top and bottom of the silicon discharge capacity may be less than 35%, preferably less than 34.8%, more preferably less than 34.5%, and more than 20%, preferably more than 25%. You can be satisfied.
  • the range of use of the cathode can be adjusted according to the N/P ratio and pre-lithiation, and thus the characteristics of the silicon-based cathode can be maintained as is, while also ensuring lifespan characteristics.
  • the silicon-based cathode or anode may be a pre-lithiated electrode.
  • Pre-lithiation means pre-supplementing lithium to the electrode, and all methods used in the industry, such as transfer process, electrochemical process, and SLMP process, can be applied.
  • the positive electrode, negative electrode, electrolyte, and separator included in the lithium secondary battery will be described.
  • the silicon-based negative electrode according to the present application includes a negative electrode current collector layer; and a negative electrode active material layer including a negative electrode active material layer composition provided on one or both sides of the negative electrode current collector layer.
  • the negative electrode current collector layer generally has a thickness of 1 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • This negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery, and for example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel. Surface treatment with carbon, nickel, titanium, silver, etc., aluminum-cadmium alloy, etc. can be used.
  • the bonding power of the negative electrode active material can be strengthened by forming fine irregularities on the surface, and it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics.
  • the thickness may vary depending on the type and purpose of the cathode used and is not limited to this.
  • the negative electrode active material layer includes a negative electrode active material layer composition
  • the negative electrode active material layer composition may include a silicon-based active material
  • the negative electrode active material layer includes a negative electrode active material layer composition
  • the negative electrode active material layer composition includes a silicon-based active material; cathode conductive material; And it may include one or more selected from the group consisting of a negative electrode binder.
  • the negative electrode active material layer includes a negative electrode active material layer composition
  • the negative electrode active material layer composition includes a silicon-based active material; cathode conductive material; and a cathode binder.
  • the SiO may include 100 parts by weight or less, preferably 99 parts by weight or less, and more preferably 95 parts by weight or less.
  • pure silicon may be used as the silicon-based active material.
  • pure silicon (Si) as a silicon-based active material means that, based on 100 parts by weight of the total silicon-based active material, pure Si particles (SiO It may mean included in the scope.
  • the average particle diameter (D50) of the silicon-based active material of the present invention may be 5 ⁇ m to 10 ⁇ m, specifically 5.5 ⁇ m to 8 ⁇ m, and more specifically 6 ⁇ m to 7 ⁇ m.
  • the average particle diameter is less than 5 ⁇ m, the specific surface area of the particles increases excessively, causing the viscosity of the negative electrode slurry to increase excessively. Accordingly, the dispersion of the particles constituting the cathode slurry is not smooth.
  • the size of the silicon-based active material is too small, the contact area between the silicon particles and the conductive material is reduced by the complex of the conductive material and the binder in the negative electrode slurry, so the possibility of disconnection of the conductive network increases, thereby lowering the capacity retention rate.
  • the average particle diameter is more than 10 ⁇ m
  • excessively large silicon particles exist, so that the surface of the cathode is not smooth, and thus current density unevenness occurs during charging and discharging.
  • the silicon particles are too large, the phase stability of the negative electrode slurry becomes unstable, and processability deteriorates. As a result, the capacity maintenance rate of the battery decreases.
  • the silicon-based active material generally has a characteristic BET surface area.
  • the BET surface area of the silicon-based active material is preferably 0.01 m 2 /g to 150.0 m 2 /g, more preferably 0.1 m 2 /g to 100.0 m 2 /g, particularly preferably 0.2 m 2 /g to 80.0 m 2 /g, most preferably 0.2 m 2 /g to 18.0 m 2 /g.
  • BET surface area is measured according to DIN 66131 (using nitrogen).
  • the silicon-based active material may exist, for example, in a crystalline or amorphous form, and is preferably not porous.
  • the silicon particles are preferably spherical or fragment-shaped particles. Alternatively but less preferably, the silicon particles may also have a fibrous structure or be present in the form of a silicon-comprising film or coating.
  • the negative electrode active material may include 60 parts by weight or more based on 100 parts by weight of the negative electrode active material layer composition.
  • the silicon-based active material may include 60 parts by weight or more based on 100 parts by weight of the negative electrode active material layer composition.
  • the silicon-based active material may include 60 parts by weight or more, preferably 65 parts by weight or more, more preferably 70 parts by weight or more, based on 100 parts by weight of the negative electrode active material layer composition, and 95 parts by weight. parts or less, preferably 90 parts by weight or less, more preferably 80 parts by weight or less.
  • the anode active material layer composition according to the present application includes the above range by using a specific anode conductive material and anode binder that can control the volume expansion rate during the charging and discharging process even when a silicon-based active material with a significantly high capacity is used within the above range. It does not deteriorate the performance of the cathode and has excellent output characteristics in charging and discharging.
  • the silicon-based active material may have a non-spherical shape and the degree of sphericity is, for example, 0.9 or less, for example, 0.7 to 0.9, for example, 0.8 to 0.9, for example, 0.85 to 0.9. am.
  • the circularity is determined by the following equation 1, where A is the area and P is the boundary line.
  • the negative electrode active material layer composition may include a negative electrode conductive material and a negative electrode binder.
  • the cathode conductive material plays a role in securing a conductive path
  • the binder plays a role in holding this cathode conductive material during charging and discharging.
  • the anode conductive material is a point-shaped conductive material; Planar conductive material; And it may include one or more selected from the group consisting of linear conductive materials.
  • the dot-shaped conductive material can be used to improve conductivity in the cathode, and forms conductivity without causing chemical change, meaning a conductive material whose shape is circular or dot-shaped.
  • the dot-shaped conductive material is natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, Parness black, lamp black, thermal black, conductive fiber, fluorocarbon, aluminum powder, nickel powder, zinc oxide, It may be at least one selected from the group consisting of potassium titanate, titanium oxide, and polyphenylene derivatives, and preferably may include carbon black in that it realizes high conductivity and has excellent dispersibility.
  • the point-shaped conductive material may have a BET specific surface area of 40 m 2 /g or more and 70 m 2 /g or less, preferably 45 m 2 /g or more and 65 m 2 /g or less, more preferably 50 m 2 /g. It may be more than /g and less than 60m 2 /g.
  • the particle diameter of the point-shaped conductive material may be 10 nm to 100 nm, preferably 20 nm to 90 nm, and more preferably 40 nm to 60 nm.
  • the conductive material may include a planar conductive material.
  • the planar conductive material refers to a conductive material that improves conductivity by increasing surface contact between silicon particles within the cathode and at the same time suppresses disconnection of the conductive path due to volume expansion.
  • the planar conductive material may be expressed as a plate-shaped conductive material or a bulk-type conductive material.
  • the planar conductive material may include at least one selected from the group consisting of plate-shaped graphite, graphene, graphene oxide, and graphite flakes, and may preferably be plate-shaped graphite.
  • the average particle diameter (D50) of the planar conductive material may be 2 ⁇ m to 7 ⁇ m, specifically 3 ⁇ m to 6 ⁇ m, and more specifically 4 ⁇ m to 5 ⁇ m. .
  • D50 average particle diameter
  • the planar conductive material has a D10 of 0.5 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less, a D50 of 4.0 ⁇ m or more and 5.0 ⁇ m or less, and a D90 of 7.0 ⁇ m or more and 15.0 ⁇ m or less. It provides a negative electrode composition.
  • the planar conductive material is a high specific surface area planar conductive material having a high BET specific surface area; Alternatively, a low specific surface area planar conductive material can be used.
  • the planar conductive material includes a high specific surface area planar conductive material;
  • a planar conductive material with a low specific surface area can be used without limitation, but in particular, the planar conductive material according to the present application may be affected by dispersion to some extent on electrode performance, so it is especially recommended to use a planar conductive material with a low specific surface area that does not cause problems with dispersion. It may be desirable.
  • the planar conductive material may have a BET specific surface area of 1 m 2 /g or more.
  • the planar conductive material may have a BET specific surface area of 1 m 2 /g or more and 500 m 2 /g or less, preferably 5 m 2 /g or more and 300 m 2 /g or less, more preferably 5 m 2 /g or more. It may be more than g and less than 250m 2 /g.
  • the planar conductive material is a high specific surface area planar conductive material, and has a BET specific surface area of 50 m 2 /g or more and 500 m 2 /g or less, preferably 80 m 2 /g or more and 300 m 2 /g or less, more preferably In other words, it can satisfy the range of 100m 2 /g or more and 250m 2 /g or less.
  • the planar conductive material is a low specific surface area planar conductive material, and the BET specific surface area is 1 m 2 /g or more and 40 m 2 /g or less, preferably 5 m 2 /g or more and 30 m 2 /g or less, more preferably In other words, it can satisfy the range of 5m 2 /g or more and 25m 2 /g or less.
  • Other conductive materials may include linear conductive materials such as carbon nanotubes.
  • the carbon nanotubes may be bundled carbon nanotubes.
  • the bundled carbon nanotubes may include a plurality of carbon nanotube units.
  • the 'bundle type' herein means, unless otherwise stated, a bundle in which a plurality of carbon nanotube units are arranged side by side or entangled with the longitudinal axis of the carbon nanotube units in substantially the same orientation. It refers to a secondary shape in the form of a bundle or rope.
  • the carbon nanotube unit has a graphite sheet in the shape of a cylinder with a nano-sized diameter and an sp2 bond structure.
  • the characteristics of a conductor or semiconductor can be displayed depending on the angle and structure at which the graphite surface is rolled.
  • the bundled carbon nanotubes can be uniformly dispersed when manufacturing a cathode, and can smoothly form a conductive network within the cathode, improving the conductivity of the cathode.
  • the negative electrode conductive material includes a linear conductive material, and the linear conductive material may be a carbon nanotube.
  • the carbon nanotubes may be SWCNTs or/and MWCNTs.
  • the linear conductive agent is SWCNT
  • the length of the SWCNT may be 0.5 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably 1 ⁇ m to 80 ⁇ m.
  • the negative electrode conductive material may include 5 parts by weight or more and 40 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the negative electrode active material layer composition.
  • the negative electrode conductive material is 5 parts by weight or more and 40 parts by weight or less, preferably 5 parts by weight or more and 30 parts by weight or less, more preferably 5 parts by weight or more, based on 100 parts by weight of the negative electrode active material layer composition. It may contain 25 parts by weight or less.
  • the negative electrode conductive material includes a planar conductive material and a linear conductive material, and the ratio of the planar conductive material to the linear conductive material may satisfy 1:0.001 to 1:0.3.
  • the negative conductive material since the negative conductive material includes a planar conductive material and a linear conductive material and satisfies the above composition and ratio, it does not significantly affect the lifespan characteristics of the existing lithium secondary battery and does not significantly affect the charging and discharging characteristics. As the number of possible points increases, it has excellent output characteristics at high C-rate.
  • the anode conductive material In the case of the anode conductive material according to the present application, it has a completely separate configuration from the conductive material applied to the anode. In other words, in the case of the anode conductive material according to the present application, it serves to hold the contact point between silicon-based active materials whose volume expansion of the electrode is very large due to charging and discharging.
  • the anode conductive material acts as a buffer when rolled and retains some conductivity. It has a role in providing , and its composition and role are completely different from the cathode conductive material of the present invention.
  • the negative electrode conductive material according to the present application is applied to a silicon-based active material and has a completely different structure from the conductive material applied to the graphite-based active material.
  • the conductive material used in the electrode having a graphite-based active material simply has smaller particles compared to the active material, so it has the property of improving output characteristics and providing some conductivity, and is different from the anode conductive material applied together with the silicon-based active material as in the present invention.
  • the composition and roles are completely different.
  • the plate-shaped conductive material used as the above-described negative electrode conductive material has a different structure and role from the carbon-based active material generally used as the negative electrode active material.
  • the carbon-based active material used as a negative electrode active material may be artificial graphite or natural graphite, and refers to a material that is processed into a spherical or dot-shaped shape to facilitate storage and release of lithium ions.
  • the plate-shaped conductive material used as a negative electrode conductive material is a material having a plane or plate shape and can be expressed as plate-shaped graphite.
  • it is a material included to maintain a conductive path within the negative electrode active material layer, and refers to a material that does not play a role in storing and releasing lithium, but rather secures a conductive path in a planar shape inside the negative electrode active material layer.
  • the use of plate-shaped graphite as a conductive material means that it is processed into a planar or plate-shaped shape and used as a material that secures a conductive path rather than storing or releasing lithium.
  • the negative electrode active material included has high capacity characteristics for storing and releasing lithium, and plays a role in storing and releasing all lithium ions transferred from the positive electrode.
  • the use of a carbon-based active material as an active material means that it is processed into a point-shaped or spherical shape and used as a material that plays a role in storing or releasing lithium.
  • the negative electrode binder is polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylidenefluoride, polyacrylonitrile, Polymethylmethacrylate, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyacrylic acid, ethylene.
  • PVDF-co-HFP polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer
  • EPDM propylene-diene monomer
  • SBR styrene butadiene rubber
  • fluororubber poly acrylic acid
  • materials whose hydrogen is replaced with Li, Na, or Ca etc. It may include at least one of the following, and may also include various copolymers thereof.
  • the negative electrode binder serves to hold the silicon-based active material and the negative electrode conductive material to prevent distortion and structural deformation of the negative electrode structure in the volume expansion and relaxation of the silicon-based active material, and satisfies the above role. Then, all general cathode binders can be applied, specifically a water-based binder can be used, and more specifically, a PAM-based binder can be used.
  • the negative electrode binder may include 30 parts by weight or less, preferably 25 parts by weight or less, more preferably 20 parts by weight or less, and 5 parts by weight. It may contain more than 8 parts by weight.
  • the point-type conductive material has hydrophobicity and is compatible with the conductive material/binder. It has the characteristic of excellent bonding strength.
  • the silicon-based negative electrode may be formed by coating a negative electrode slurry containing the negative electrode active material layer composition on one or both sides of the negative electrode current collector layer.
  • the negative electrode slurry includes a negative electrode active material layer composition; and a slurry solvent.
  • the solid content of the anode slurry may satisfy 5% or more and 40% or less.
  • the solid content of the anode slurry may be within the range of 5% to 40%, preferably 7% to 35%, and more preferably 10% to 30%.
  • the solid content of the negative electrode slurry may mean the content of the negative electrode composition contained in the negative electrode slurry, and may mean the content of the negative electrode composition based on 100 parts by weight of the negative electrode slurry.
  • the viscosity is appropriate when forming the negative electrode active material layer, thereby minimizing particle agglomeration of the negative electrode composition, thereby enabling efficient formation of the negative electrode active material layer.
  • the slurry solvent may be used without limitation as long as it can disperse the above-described anode composition, but specifically, water or NMP may be used.
  • the porosity of the negative electrode active material layer may satisfy a range of 10% to 60%.
  • the porosity of the negative electrode active material layer may be within the range of 10% to 60%, preferably 20% to 50%, and more preferably 30% to 45%.
  • the porosity includes the silicon-based active material included in the negative electrode active material layer; conductive materials; and varies depending on the composition and content of the binder, especially the silicon-based active material according to the present application; and a conductive material of a specific composition and content satisfies the above range, and thus the electrode is characterized by having an appropriate range of electrical conductivity and resistance.
  • the positive electrode includes a positive electrode current collector layer; and a positive electrode active material layer including a positive electrode active material layer composition provided on one or both sides of the positive electrode current collector layer.
  • the positive electrode active material layer includes a positive electrode active material layer composition
  • the positive electrode active material layer composition includes a positive electrode active material; Anode conductive material; and a positive electrode binder.
  • the positive electrode current collector layer is not particularly limited as long as it is conductive without causing chemical changes in the battery, for example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, or on the surface of aluminum or stainless steel. Surface treatment with carbon, nickel, titanium, silver, etc. can be used. Additionally, the positive electrode current collector layer may typically have a thickness of 1 to 500 ⁇ m, and fine irregularities may be formed on the surface of the positive electrode current collector layer to increase adhesion to the positive electrode active material. For example, it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven materials.
  • a lithium secondary battery in which the thickness of the positive electrode and negative electrode current collector layers is 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less, and the thickness of the positive electrode and negative electrode active material layer is 20 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less.
  • the positive electrode active material may be a commonly used positive electrode active material.
  • the positive electrode active material is not limited to these.
  • the cathode active material may be commonly used NCM or NCMA.
  • the positive electrode active material is 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 oxide such as LiFe 3 O 4 ; Lithium manganese oxide with the formula Li 1+c1 Mn 2-c1 O 4 (0 ⁇ c1 ⁇ 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 , etc.; lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , V 2 O 5 , and Cu 2 V 2 O 7 ; Chemical formula LiNi 1-c2 M c2 O 2 (where M is at least one selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B and Ga, and satisfies 0.01 ⁇ c2 ⁇ 0.6).
  • LiCoO 2 lithium cobalt oxide
  • LiNiO 2 lithium nickel oxide
  • the positive electrode active material is a
  • LiMn 2-c3 M c3 O 2 (where M is at least one selected from the group consisting of Co, Ni, Fe, Cr, Zn and Ta, and satisfies 0.01 ⁇ c3 ⁇ 0.6) or Li 2 Mn 3 MO lithium manganese composite oxide represented by 8 (where M is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu and Zn);
  • Examples include LiMn 2 O 4 in which part of Li in the chemical formula is replaced with an alkaline earth metal ion, but it is not limited to these.
  • the anode may be Li-metal.
  • the positive electrode active material includes a lithium composite transition metal compound containing nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn), and the lithium composite transition metal compound is a single particle or secondary particle. It includes, and the average particle diameter (D50) of the single particles may be 1 ⁇ m or more.
  • the average particle diameter (D50) of the single particle is 1 ⁇ m or more and 12 ⁇ m or less, 1 ⁇ m or more and 8 ⁇ m or less, 1 ⁇ m or more and 6 ⁇ m or less, 1 ⁇ m and 12 ⁇ m or less, 1 ⁇ m and 8 ⁇ m or less, or 1 ⁇ m.
  • the excess may be 6 ⁇ m or less.
  • the single particle may have an average particle diameter (D50) of 1 ⁇ m or more and 12 ⁇ m or less.
  • the particle strength may be excellent.
  • the single particle may have a particle strength of 100 MPa to 300 MPa when rolled with a force of 650 kgf/cm 2 . Accordingly, even if the single particle is rolled with a strong force of 650 kgf/cm 2 , the increase in fine particles in the electrode due to particle breakage is alleviated, thereby improving the lifespan characteristics of the battery.
  • the single particle can be manufactured by mixing a transition metal precursor and a lithium raw material and calcining.
  • the secondary particles may be manufactured by a different method from the single particles, and their composition may be the same or different from that of the single particles.
  • the method of forming the single particles is not particularly limited, but can generally be formed by over-firing by raising the firing temperature, using additives such as grain growth accelerators that help over-firing, or by changing the starting material. It can be manufactured.
  • the firing is performed at a temperature that can form single particles. In order to form this, firing must be performed at a higher temperature than when producing secondary particles. For example, if the precursor composition is the same, firing must be performed at a temperature about 30°C to 100°C higher than when producing secondary particles.
  • the calcination temperature for forming the single particle may vary depending on the metal composition in the precursor. For example, a high-Ni NCM-based lithium composite transition metal oxide with a nickel (Ni) content of 80 mol% or more is used. When forming a single particle, the sintering temperature may be about 700°C to 1000°C, preferably about 800°C to 950°C.
  • a positive electrode active material containing single particles with excellent electrochemical properties can be manufactured. If the sintering temperature is less than 790°C, a positive electrode active material containing a lithium complex transition metal compound in the form of secondary particles can be manufactured, and if it exceeds 950°C, sintering occurs excessively and the layered crystal structure is not properly formed, causing electrochemical damage. Characteristics may deteriorate.
  • the single particle is a term used to distinguish it from secondary particles formed by the agglomeration of dozens to hundreds of primary particles, and includes a single particle consisting of one primary particle and a single particle of 30 or less primary particles. It is a concept that includes quasi-single particle forms that are aggregates.
  • a single particle may be in the form of a single particle consisting of one primary particle or a quasi-single particle that is an aggregate of 30 or less primary particles, and the secondary particle may be in the form of an agglomeration of hundreds of primary particles. .
  • the lithium composite transition metal compound that is the positive electrode active material further includes secondary particles, and the average particle diameter (D50) of the single particles is smaller than the average particle diameter (D50) of the secondary particles.
  • a single particle may be in the form of a single particle made up of one primary particle or a quasi-single particle that is an aggregate of 30 or less primary particles, and the secondary particle may be in the form of an agglomeration of hundreds of primary particles.
  • the above-described lithium composite transition metal compound may further include secondary particles.
  • Secondary particle refers to a form formed by agglomeration of primary particles, and can be distinguished from the concept of a single particle, which includes one primary particle, one single particle, or a quasi-single particle form that is an aggregate of 30 or less primary particles. .
  • the particle diameter (D50) of the secondary particles may be 1 ⁇ m to 20 ⁇ m, 2 ⁇ m to 17 ⁇ m, preferably 3 ⁇ m to 15 ⁇ m.
  • the specific surface area (BET) of the secondary particle may be 0.05 m 2 /g to 10 m 2 /g, preferably 0.1 m 2 /g to 1 m 2 /g, and more preferably 0.3 m 2 /g. /g to 0.8 m 2 /g.
  • the secondary particles are aggregates of primary particles, and the average particle diameter (D50) of the primary particles is 0.5 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • the secondary particles may be in the form of an agglomeration of hundreds of primary particles, and the average particle diameter (D50) of the primary particles may be 0.6 ⁇ m to 2.8 ⁇ m, 0.8 ⁇ m to 2.5 ⁇ m, or 0.8 ⁇ m to 1.5 ⁇ m. .
  • the average particle diameter (D50) of the primary particles satisfies the above range, a single-particle positive electrode active material with excellent electrochemical properties can be formed. If the average particle diameter (D50) of the primary particles is too small, the number of agglomerations of primary particles forming lithium nickel-based oxide particles increases, reducing the effect of suppressing particle breakage during rolling, and the average particle diameter (D50) of the primary particles is too small. If it is large, the lithium diffusion path inside the primary particle may become longer, increasing resistance and reducing output characteristics.
  • the average particle diameter (D50) of the single particles is smaller than the average particle diameter (D50) of the secondary particles.
  • the average particle diameter (D50) of the single particles is 1 ⁇ m to 18 ⁇ m smaller than the average particle diameter (D50) of the secondary particles.
  • the average particle diameter (D50) of the single particle may be 1 ⁇ m to 16 ⁇ m, 1.5 ⁇ m to 15 ⁇ m, or 2 ⁇ m to 14 ⁇ m smaller than the average particle diameter (D50) of the secondary particles.
  • the average particle diameter (D50) of a single particle is smaller than the average particle diameter (D50) of a secondary particle, for example, when it satisfies the above range, the particle strength of the single particle may be excellent even if it is formed with a small particle size, and as a result, the particle strength of the particle may be excellent.
  • the phenomenon of increase in fine particles in the electrode due to breakage is alleviated, which has the effect of improving battery life characteristics and energy density.
  • the single particle is included in an amount of 15 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the positive electrode active material.
  • the single particle may be included in an amount of 20 to 100 parts by weight, or 30 to 100 parts by weight, based on 100 parts by weight of the positive electrode active material.
  • the single particle may be included in an amount of 15 parts by weight or more, 20 parts by weight, 25 parts by weight, 30 parts by weight, 35 parts by weight, 40 parts by weight, or 45 parts by weight or more, based on 100 parts by weight of the positive electrode active material. there is.
  • the single particle may be included in an amount of 100 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the positive electrode active material.
  • the single particle when it contains single particles in the above range, it can exhibit excellent battery characteristics in combination with the above-mentioned anode material.
  • the single particle when the single particle is 15 parts by weight or more, the increase in fine particles in the electrode due to particle breakage during the rolling process after manufacturing the electrode can be alleviated, thereby improving the lifespan characteristics of the battery.
  • the lithium composite transition metal compound may further include secondary particles, and the secondary particles may be 85 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the positive electrode active material.
  • the secondary particles may be 80 parts by weight or less, 75 parts by weight, or 70 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the positive electrode active material.
  • the secondary particles may be 0 parts by weight or more based on 100 parts by weight of the positive electrode active material.
  • the component may be the same component as exemplified by the single particle positive active material described above, or may be a different component, and the single particle form may mean an agglomerated form.
  • the amount of the positive electrode active material in 100 parts by weight of the positive electrode active material layer is 80 parts by weight or more and 99.9 parts by weight or less, preferably 90 parts by weight or more and 99.9 parts by weight or less, more preferably 95 parts by weight or more and 99.9 parts by weight. parts or less, more preferably 98 parts by weight or more and 99.9 parts by weight or less.
  • the positive electrode active material layer may include the positive electrode active material described above, a positive conductive material, and a positive electrode binder.
  • the anode conductive material is used to provide conductivity to the electrode, and can be used without particular limitation as long as it does not cause chemical change and has electronic conductivity in the battery being constructed.
  • Specific examples 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 powders 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, etc., of which one type alone or a mixture of two or more types may be used.
  • the positive electrode binder serves to improve adhesion between positive electrode active material particles and adhesion between 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, and carboxymethyl cellulose (CMC). ), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene butadiene rubber. (SBR), fluororubber, or various copolymers thereof, and one type of these may be used alone or a mixture of two or more types may be used.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PVDF-co-HFP vinylidene
  • the separator separates the cathode from the anode and provides a passage for lithium ions. It can be used without particular restrictions as long as it is normally used as a separator in secondary batteries. In particular, it has low resistance to ion movement in the electrolyte and has an electrolyte moisture capacity. Excellent is desirable.
  • porous polymer films for example, porous polymer films made of polyolefin polymers such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer, or these. A laminated structure of two or more layers may be used.
  • porous non-woven fabrics for example, non-woven fabrics made of high melting point glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, etc.
  • a coated separator containing ceramic components or polymer materials may be used to ensure heat resistance or mechanical strength, and may optionally be used in a single-layer or multi-layer structure.
  • the electrolyte includes an organic liquid electrolyte, an inorganic liquid electrolyte, a solid polymer electrolyte, a gel-type polymer electrolyte, a solid inorganic electrolyte, and a molten inorganic electrolyte that can be used in the manufacture of a lithium secondary battery, and is limited to these. That is not the case.
  • the electrolyte may include a non-aqueous organic solvent and a metal salt.
  • non-aqueous organic solvent examples include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butylo lactone, and 1,2-dimethyl.
  • Triesters trimethoxy methane, dioxoran derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ether, methyl pyropionate, propionic acid.
  • Aprotic organic solvents such as ethyl may be used.
  • ethylene carbonate and propylene carbonate which are cyclic carbonates
  • cyclic carbonates are high-viscosity organic solvents and have a high dielectric constant, so they can be preferably used because they easily dissociate lithium salts.
  • These cyclic carbonates include dimethyl carbonate and diethyl carbonate. If linear carbonates of the same low viscosity and low dielectric constant are mixed and used in an appropriate ratio, an electrolyte with high electrical conductivity can be made and can be used more preferably.
  • the metal salt may be a lithium salt, and the lithium salt is a material that is easily soluble in the non-aqueous electrolyte.
  • anions of the lithium salt include 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
  • the electrolyte includes, for example, haloalkylene carbonate-based compounds such as difluoroethylene carbonate, pyridine, and trifluoroethylene for the purpose of improving battery life characteristics, suppressing battery capacity reduction, and improving battery discharge capacity.
  • One or more additives such as zolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy ethanol, or aluminum trichloride may be further included.
  • One embodiment of the present invention provides a battery module including the secondary battery as a unit cell and a battery pack including the same. Since the battery module and battery pack include the secondary battery with high capacity, high rate characteristics, and cycle characteristics, they are medium-to-large devices selected from the group consisting of electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, and power storage systems. It can be used as a power source.
  • a negative electrode active material layer composition was prepared using Si (average particle diameter (D50): 5 ⁇ m) as a silicon-based active material, polyacrylamide as a first and second conductive materials, and a binder at a weight ratio of 80:9.6:0.4:10.
  • a negative electrode slurry was prepared by adding distilled water as a solvent for forming the negative electrode slurry (solids concentration: 28% by weight).
  • the first conductive material is plate-shaped graphite (specific surface area: 17m 2 /g, average particle diameter (D50): 3.5um), and the second conductive material is carbon nanotubes.
  • the first conductive material, the second conductive material, the binder, and water were dispersed at 2500 rpm for 30 min using a homo mixer, and then the active material was added and dispersed at 2500 rpm for 30 min to prepare a slurry.
  • the negative electrode slurry was coated at a loading amount of 3.00 mg/cm 2 on both sides of a copper current collector (thickness: 15 ⁇ m) as a negative electrode current collector, rolled, and dried in a vacuum oven at 130°C for 10 hours.
  • a negative electrode active material layer (thickness: 23 ⁇ m) was formed.
  • LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 (average particle diameter (D50): 15 ⁇ m) as the positive electrode active material, carbon black (product name: Super C65, manufacturer: Timcal) as the conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as the binder.
  • a positive electrode slurry was prepared by adding N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent for forming positive electrode slurry at a weight ratio of :1.5:1.5 (solid concentration: 78% by weight).
  • NMP N-methyl-2-pyrrolidone
  • the positive electrode slurry was coated at a loading amount of 537 mg/25 cm 2 on both sides of an aluminum current collector (thickness: 12 ⁇ m), rolled, and dried in a vacuum oven at 130°C for 10 hours to form a positive electrode.
  • An active material layer (thickness: 65 ⁇ m) was formed to prepare a positive electrode (anode thickness: 77 ⁇ m, porosity 26%).
  • the lithium secondary battery shown in Table 1 below was manufactured by interposing a polyethylene separator between the positive electrode and the negative electrode and injecting electrolyte.
  • Lithium metal was applied to the top of the PET (release layer coating on one side of PET, I-One Film, thickness 20 ⁇ m to 50 ⁇ m) coated with the release layer using the PVD method, and a thickness of the level in Table 1 (before) was applied to the top of the PET substrate using the PVD method.
  • a transfer laminate was manufactured by depositing in a lithiated dosage, and pre-lithiation was performed by transferring a lithium metal layer on the top of the electrode shown in Table 1.
  • the lifespan of the lithium secondary battery including the negative electrode manufactured in the above Examples and Comparative Examples was evaluated using an electrochemical charger and discharger, and the capacity maintenance rate was evaluated.
  • a cycle test was performed on the secondary battery at 4.2-3.2V 1C/0.5C, and the number of cycles at which the capacity retention rate reached 80% was measured and shown in Table 2 below.
  • Life maintenance rate (%) ⁇ (discharge capacity in Nth cycle)/(discharge capacity in first cycle) ⁇ ⁇ 100
  • the capacity maintenance rate was measured by charging/discharging (4.2-3.0V) at 0.33C/0.33C every 50 cycles, and then the resistance was measured by discharging at 2.5C Pulse at SOC50, and the resistance was measured. The growth rate was compared and analyzed.
  • Example 1 Example 2 Example 3 Comparative Example 1 Comparative Example 2 Comparative Example 3 Experimental Example 1 (number of times) 850 810 750 400 690 610 Experimental Example 2 (%) -2 3 7 67 32 43
  • the lithium secondary battery according to the embodiment performs a certain amount of pre-lithiation on the positive or negative electrode, thereby limiting the overall discharge capacity usage range when using a silicon-based negative electrode, and specifically It was confirmed that the main feature was controlling the top and bottom of the discharge capacity.
  • the main feature of the lithium secondary battery according to the present application is that the lifespan performance of the lithium secondary battery is secured by limiting the use area of silicon included in the negative electrode.
  • Comparative Example 2 and Comparative Example 3 pre-lithiation was carried out, but the pre-lithiation was carried out to a degree that did not satisfy the capacities of the top and bottom of the present invention. Specifically, in the case of Comparative Example 3, the upper range of the negative electrode capacity exceeds the range according to the present application, and in the case of Comparative Example 3, the lower range of the negative electrode capacity falls below the range according to the present application. In this case, it was confirmed that the performance did not deteriorate as much as Comparative Example 1, but that the lifespan performance decreased due to the expansion of the cathode volume compared to Examples 1 to 3.

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Abstract

본 발명은 실리콘계 음극; 양극; 분리막; 및 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지로, 상기 양극 또는 실리콘계 음극은 전리튬화된 전극이고, 상기 실리콘계 음극의 실리콘 방전 용량 사용 범위는 전체 음극 방전 용량의 35% 이하이며, 상기 실리콘계 음극의 실리콘 방전 용량 상단은 57% 이하, 하단은 13% 이상인 것인 리튬 이차 전지에 관한 것이다.

Description

리튬 이차 전지
본 출원은 2022년 12월 23일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2022-0183766호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 출원은 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
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.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차 전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 이차 전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지며, 사이클 수명이 길고, 자기방전율이 낮은 리튬 이차 전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다. 또, 이 같은 고용량 리튬 이차 전지용 전극으로서, 단위 체적 당 에너지 밀도가 더 높은 고밀도 전극을 제조하기 위한 방법에 대해 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반적으로 이차 전지는 양극, 음극, 전해질 및 분리막으로 구성된다. 음극은 양극으로부터 나온 리튬 이온을 삽입하고 탈리시키는 음극 활물질을 포함하며, 음극재로서 흑연과 같은 탄소계 물질은 안정성과 가역성은 뛰어나지만, 용량적 측면에서 한계가 있어, 고용량을 목적으로 하는 분야에서는 이론용량이 높은 Si계 재료를 음극재로서 사용하려는 시도가 증가하고 있다.
즉, 리튬 이차 전지는 통상적으로 양극에는 LiCoO2, LiMn2O4 등과 같이 리튬이 삽입되어 있는 화합물을 사용하고, 음극에는 탄소계, Si계 등의 리튬이 삽입되어 있지 않은 물질을 사용하여 제조되며, 충전시에는 양극에 삽입된 리튬 이온이 전해액을 통해 음극으로 이동하고, 방전시에는 다시 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하게 된다. 충전 반응시 양극에서 음극으로 이동하는 리튬은 전해액과 반응하여 음극의 표면에 일종의 보호막(passivation film)인 SEI(solid electrolyte interface)를 형성하게 된다. 이 SEI는 음극과 전해액의 반응에 요구되는 전자의 이동을 억제하여 전해질의 분해반응을 방지함으로써 음극의 구조를 안정화시킬 수 있는 한편, 비가역적 반응이기 때문에 리튬이온의 소모를 가져온다. 즉, SEI의 형성으로 소비된 리튬은 이어지는 방전 과정에서 양극으로 돌아가지 않아 전지의 용량을 감소시킨다.
한편, 리튬 이차 전지의 성능 향상을 위한 노력으로서, 충전 속도를 빠르게 하는 기술의 개발이 요구되고 있다. 리튬 이차전지의 급속 충전을 위해서는 음극에 리튬 이온이 삽입되는 과정에서 리튬 이온의 이동 속도가 빨라야 하므로, 음극 활물질층을 박막 수준의 두께로 형성하여 리튬의 확산거리를 작게 하고, 그 표면에 탄소 코팅층을 형성하여 도전성을 증가시킴으로써 내부 저항을 작게 하여 고출력화를 도모하는 전지 설계가 이루어지고 있다.
그러나, 이러한 박막 음극 활물질층을 구비한 음극으로는 고용량을 구현하기 어렵다. 또한, 고용량을 구현한 음극에서는 급속 충전을 구현하기가 곤란하다. 또한, 실리콘계 음극을 사용하는 경우, 에너지 밀도의 증가를 의하여 음극의 Si 함량을 늘리게 되며 이에 따라 충전 과정에서 급격하게 부피가 팽창하여 도전 경로를 단절시켜 전지 특성을 저하되고, 이에 따라 초반부터 용량이 떨어진다. 또한 실리콘계 음극은 충전 및 방전 사이클 반복시 음극의 깊이 방향으로 리튬 이온의 균일한 충전이 이루어지지 않고, 표면에서 반응이 진행되어 표면 퇴화가 가속화됨에 따라 전지 사이클 측면에서 성능 개선이 필요하다.
이에, 급속 충전 성능이 우수한 실리콘계 화합물을 단독으로 음극 활물질로서 사용할 때의 상기 문제점을 해소하기 위하여 구동 전위를 조절시키는 방안, 추가적으로 활물질층 상에 박막을 더 코팅하는 방법, 실리콘계 화합물의 입경을 조절하는 방법과 같은 부피 팽창 자체를 억제시키는 방안 혹은 도전 경로가 단절되는 것을 방지하기 위한 실리콘계 화합물의 부피팽창을 잡아줄 바인더의 개발 등 다양한 방안 등이 논의되고 있다.
하지만 상기 방안들의 경우, 되려 전지의 성능을 저하시킬 수 있으므로, 적용에 한계가 있어, 여전히 급속 충전 성능이 우수한 실리콘계 화합물의 함량이 높은 음극 전지 제조의 상용화에는 한계가 있고, 실리콘계 활물질층에 포함되는 실리콘계 활물질 비율이 많아 질수록 음극 표면에 전리튬화가 집중되어 오히려 표면쪽의 실리콘계 활물질의 손상이 발생하고, 불균일한 전리튬화가 발생함에 따라 수명 특성 향상에 문제가 발생하고 있다.
따라서, 고용량을 위한 실리콘계 활물질을 포함하는 음극을 사용하면서도, 사이클 성능이 개선된 리튬 이차 전지에 대한 연구가 필요하다.
<선행기술문헌>
(특허문헌 1) 일본 공개특허공보 제2009-080971호
전술한 문제점에 대하여 연구 결과, 용량 특성 확보를 위해 음극으로 실리콘계 음극(특히 Pure Si 음극)을 사용하는 경우, NP Ratio의 조절 및 전리튬화 공정을 도입하여 실리콘계 음극의 사용 영역을 제한할 수 있음을 알게되었고, 이에 따라 수명 특성이 확보될 수 있음을 연구를 통하여 확인하였다.
이에 따라 본 출원은 실리콘계 음극을 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
본 명세서의 일 실시상태는 실리콘계 음극; 양극; 분리막; 및 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지로, 상기 양극 또는 실리콘계 음극은 전리튬화된 전극이고, 상기 실리콘계 음극의 실리콘 방전 용량 사용 범위는 전체 음극 방전 용량의 35% 이하이며, 상기 실리콘계 음극의 실리콘 방전 용량 상단은 57% 이하, 하단은 13% 이상인 것인 리튬 이차 전지를 제공한다.
본 출원에 따른 리튬 이차 전지는 실리콘계 음극 또는 양극에 전리튬화 공정을 적용하여, 실리콘계 음극을 사용함에 있어, 전체 방전 용량 사용 범위를 제한하고, 구체적으로 방전 용량 상단 및 하단을 제어한 것을 주된 특징으로 한다.
이에 따라, 실리콘계 음극을 사용하는 경우의 장점인 고용량, 고에너지 밀도를 달성할 수 있는 전지를 생산할 수 있음과 동시에 기존의 문제점인 사이클 반복시 부피팽창에 따른 수명 성능 악화의 문제를 해결한 특징을 갖게 된다.
즉, 본 출원에 따른 리튬 이차 전지는 음극에 포함되는 실리콘의 사용 영역을 제한하여 리튬 이차 전지의 수명 성능을 확보한 것을 주된 특징으로 한다.
도 1은 본 출원에 따른 리튬 이차 전지를 나타낸 도이다.
<부호의 설명>
10: 음극 집전체층
20: 음극 활물질층
30: 분리막
40: 양극 활물질층
50: 양극 집전체층
100: 음극
200: 양극
본 발명을 설명하기에 앞서, 우선 몇몇 용어를 정의한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 'p 내지 q'는 'p 이상 q 이하'의 범위를 의미한다.
본 명세서에 있어서, "비표면적"은 BET법에 의해 측정한 것으로서, 구체적으로는 BEL Japan사의 BELSORP-mino II를 이용하여 액체 질소 온도 하(77K)에서의 질소가스 흡착량으로부터 산출된 것이다. 즉 본 출원에 있어서 BET 비표면적은 상기 측정 방법으로 측정된 비표면적을 의미할 수 있다.
본 명세서에 있어서, "Dn"은 입도 분포을 의미하며, 입경에 따른 입자 개수 누적 분포의 n% 지점에서의 입경을 의미한다. 즉, D50은 입경에 따른 입자 개수 누적 분포의 50% 지점에서의 입경이며, D90은 입경에 따른 입자 개수 누적 분포의 90% 지점에서의 입경을, D10은 입경에 따른 입자 개수 누적 분포의 10% 지점에서의 입경이다. 한편, 입도 분포는 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 구체적으로, 측정 대상 분말을 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(예를 들어 Microtrac S3500)에 도입하여 입자들이 레이저빔을 통과할 때 입자 크기에 따른 회절패턴 차이를 측정하여 입도 분포를 산출한다.
본 명세서에 있어서, 중합체가 어떤 단량체를 단량체 단위로 포함한다는 의미는 그 단량체가 중합 반응에 참여하여 중합체 내에서 반복 단위로서 포함되는 것을 의미한다. 본 명세서에 있어서, 중합체가 단량체를 포함한다고 할 때, 이는 중합체가 단량체를 단량체 단위로 포함한다는 것과 동일하게 해석되는 것이다.
본 명세서에 있어서, '중합체'라 함은 '단독 중합체'라고 명시되지 않는 한 공중합체를 포함한 광의의 의미로 사용된 것으로 이해한다.
본 명세서에 있어서, 중량 평균 분자량(Mw) 및 수평균 분자량(Mn)은 분자량 측정용으로 시판되고 있는 다양한 중합도의 단분산 폴리스티렌 중합체(표준 시료)를 표준물질로 하고, 겔 투과 크로마토그래피(Gel Permeation Chromatography; GPC)에 의해 측정한 폴리스티렌 환산 분자량이다. 본 명세서에 있어서, 분자량이란 특별한 기재가 없는 한 중량 평균 분자량을 의미한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하의 설명에 한정되지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태는 실리콘계 음극; 양극; 분리막; 및 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지로, 상기 양극 또는 실리콘계 음극은 전리튬화된 전극이고, 상기 실리콘계 음극의 실리콘 방전 용량 사용 범위는 전체 음극 방전 용량의 35% 이하이며, 상기 실리콘계 음극의 실리콘 방전 용량 상단은 57% 이하, 하단은 13% 이상인 것인 리튬 이차 전지를 제공한다.
본 출원은 실리콘계 음극을 사용하는 경우의 장점인 고용량, 고에너지 밀도를 달성할 수 있는 전지를 생산할 수 있음과 동시에 기존의 문제점인 사이클 반복시 부피팽창에 따른 수명 성능 악화의 문제를 해결한 특징을 갖게 된다. 즉, 본 출원에 따른 리튬 이차 전지는 음극에 포함되는 실리콘의 사용 영역을 제한하여 리튬 이차 전지의 수명 성능을 확보한 것을 주된 특징으로 한다.
도 1은 본 출원의 일 실시상태에 따른 리튬 이차 전지의 적층 구조를 나타낸 도이다. 구체적으로, 음극 집전체층(10)의 일면에 음극 활물질층(20)을 포함하는 음극(100)을 확인할 수 있으며, 양극 집전체층(50)의 일면에 양극 활물질층(40)을 포함하는 양극(200)을 확인할 수 있으며, 상기 음극(100)과 리튬 이차 전지용 양극(200)이 분리막(30)을 사이에 두고 적층되는 구조로 형성됨을 나타낸다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 음극의 실리콘 방전 용량 사용 범위는 전체 음극 방전 용량의 35% 이하이며, 상기 실리콘계 음극의 실리콘 방전 용량 상단은 57% 이하, 하단은 13% 이상인 것인 리튬 이차 전지를 제공한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 리튬 이차 전지의 NP ratio는 170% 이상 280% 이하인 것인 리튬 이차 전지를 제공한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, NP ratio는 하기 식 A를 만족할 수 있다.
[식 A]
N/P ratio = 음극의 단위 면적당 방전 용량/양극의 단위 면적당 방전 용량.
본 발명에 있어서, 상기 “단위 면적당 방전 용량”은 음극 또는 양극의 첫 번째 사이클에서의 단위 면적당 방전 용량을 의미한다.
상기 음극의 단위 면적당 방전 용량은 다음과 같은 방법에 의해 얻어질 수 있다. 구체적으로, 음극 활물질을 포함하는 음극 샘플과 상기 음극 샘플에 대향하는 대극(예를 들면 리튬 금속 전극)으로 하프-셀(half-cell)을 제조한다. 상기 하프-셀을 충전 및 방전하여 측정된 방전 용량을 음극 활물질의 무게로 나누어 “음극 활물질의 단위 무게당 음극 샘플의 방전 용량”을 구한다. 상기 하프-셀에서 사용된 음극 활물질과 동일한 음극 활물질을 포함하는 음극과 양극 활물질을 포함하는 양극으로 이차전지를 제조한다. 상기 “음극 활물질의 단위 무게당 음극 샘플의 방전 용량”에 상기 이차전지에 포함된 음극 활물질의 무게를 곱하고, 이를 상기 이차전지에 포함된 음극의 면적으로 나누어 상기 음극의 단위 면적당 방전 용량을 얻을 수 있다.
상기 양극의 단위 면적당 방전 용량은 다음과 같은 방법에 의해 얻어질 수 있다. 구체적으로, 양극 활물질을 포함하는 양극 샘플과 상기 양극 샘플에 대향하는 대극(예를 들면 리튬 금속 전극)으로 하프-셀(half-cell)을 제조한다. 상기 하프-셀을 충전 및 방전하여 측정된 방전 용량을 양극 활물질의 무게로 나누어 “양극 활물질의 단위 무게당 양극 샘플의 방전 용량”을 구한다. 상기 하프-셀에서 사용된 양극 활물질과 동일한 양극 활물질을 포함하는 양극과 음극 활물질을 포함하는 음극으로 이차전지를 제조한다. 상기 “양극 활물질의 단위 무게당 양극 샘플의 방전 용량”에 상기 이차전지에 포함된 양극 활물질의 무게를 곱하고, 이를 상기 이차전지에 포함된 양극의 면적으로 나누어 상기 양극의 단위 면적당 방전 용량을 얻을 수 있다.
본 출원에 따른 리튬 이차 전지는 양극 또는 음극에 전리튬화 공정을 도입하고, 상기 NP ratio를 조절하여 음극의 USOC를 제한하여 적용한 것을 특징으로 한다.
본 출원에 있어서, 방전 용량의 상단 및 하단은 음극 전체 로딩양에서 방전 기준 active Li의 상단 및 하단 값을 USOC를 기준으로 % 값으로 계산한 값을 의미하며, 양극의 로딩양 및 초기 효율과 음극의 초기 효율로부터 계산되는 값일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 음극의 실리콘 방전 용량 상단은 45% 이상 57% 이하이고, 상기 실리콘계 음극의 실리콘 방전 용량 하단은 13% 이상 28% 이하인 것인 리튬 이차 전지를 제공한다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 음극의 실리콘 방전 용량 상단은 45% 이상 57% 이하, 바람직하게는 46% 이상 53% 이하, 더욱 바람직하게는 48% 이상 52% 이하일 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 음극의 실리콘 방전 용량 하단은 13% 이상 28% 이하, 바람직하게는 14% 이상 25% 이하, 더욱 바람직하게는 16% 이상 24.5% 이하를 만족할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘 방전 용량 상단 및 하단의 차이가 35% 미만인 것인 리튬 이차 전지를 제공한다.
즉 상기 실리콘 방전 용량 상단 및 하단의 차이는 △Si로 표시될 수 있으며, 이는 실리콘계 음극에서 사용하는 용량 구간을 의미할 수 있다,
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘 방전 용량 상단 및 하단의 차이가 35% 미만, 바람직하게는 34.8% 이하, 더욱 바람직하게는 34.5% 이하일 수 있으며, 20% 이상, 바람직하게는 25% 이상을 만족할 수 있다.
즉, 전술한 바와 같이 N/P ratio 및 전리튬화에 따라 음극의 사용 범위를 상기와 같이 조절할 수 있으며, 이에 따라 실리콘계 음극의 특징을 그대로 가져갈 수 있음과 동시에, 수명 특성 또한 확보할 수 있는 특징을 갖게 된다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서 실리콘계 음극 또는 양극은 전리튬화된 전극일 수 있다. 전리튬화라는 것은 전극에 리튬을 미리 보충하는 것으로, 전사 공정, 전기 화학 공정, SLMP공정 등 당업계에 사용되는 방식이 모두 적용될 수 있다.
이하에서는 리튬 이차 전지에 포함되는 양극, 음극, 전해질 및 분리막에 대하여 각각 설명한다.
본 출원에 따른 상기 실리콘계 음극은 음극 집전체층; 및 상기 음극 집전체층의 일면 또는 양면에 구비된 음극 활물질층 조성물을 포함하는 음극 활물질층을 포함할 수 있다.
음극 집전체층은 일반적으로 1㎛ 내지 100㎛의 두께를 가진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
다만, 두께는 사용되는 음극의 종류 및 용도에 따라 다양하게 변형할 수 있으며 이에 한정되지 않는다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층은 음극 활물질층 조성물을 포함하며, 상기 음극 활물질층 조성물은 실리콘계 활물질을 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층은 음극 활물질층 조성물을 포함하며, 상기 음극 활물질층 조성물은 실리콘계 활물질; 음극 도전재; 및 음극 바인더로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층은 음극 활물질층 조성물을 포함하며, 상기 음극 활물질층 조성물은 실리콘계 활물질; 음극 도전재; 및 음극 바인더를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 활물질은 SiOx (x=0), SiOx (0<x<2), SiC, 및 Si 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 활물질은 SiOx (x=0), SiOx (0<x<2) 및 금속 불순물로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함하며, 상기 실리콘계 활물질 100 중량부 기준 상기 SiOx (x=0)를 70 중량부 이상 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 활물질 100 중량부 기준 상기 SiOx (x=0)를 70 중량부 이상, 바람직하게는 80 중량부 이상, 더욱 바람직하게는 90 중량부 이상을 포함할 수 있으며, 100 중량부 이하, 바람직하게는 99 중량부 이하, 더욱 바람직하게는 95 중량부 이하를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 활물질은 특히 순수 실리콘(Si)을 실리콘계 활물질로서 사용할 수 있다. 순수 실리콘(Si)을 실리콘계 활물질로 사용한다는 것은 상기와 같이 실리콘계 활물질을 전체 100 중량부를 기준으로 하였을 때, 다른 입자 또는 원소와 결합되지 않은 순수의 Si 입자(SiOx (x=0))를 상기 범위로 포함하는 것을 의미할 수 있다.
한편, 본원 발명의 상기 실리콘계 활물질의 평균 입경(D50)은 5㎛ 내지 10㎛일 수 있으며, 구체적으로 5.5㎛ 내지 8㎛일 수 있고, 보다 구체적으로 6㎛ 내지 7㎛일 수 있다. 상기 평균 입경이 5㎛ 미만인 경우, 입자의 비표면적이 지나치게 증가하여, 음극 슬러리의 점도가 지나치게 상승하게 된다. 이에 따라, 음극 슬러리를 구성하는 입자들의 분산이 원활하지 않다. 또한, 실리콘계 활물질의 크기가 지나치게 작은 경우, 음극 슬러리 내에서 도전재와 바인더로 이루어진 복합체에 의해 실리콘 입자, 도전재들의 접촉 면적이 줄어들게 되므로, 도전 네트워크가 단절될 가능성이 높아져서 용량 유지율이 저하된다. 한편, 상기 평균 입경이 10㎛ 초과인 경우, 지나치게 큰 실리콘 입자들이 존재하게 되어, 음극의 표면이 매끄럽지 못하게 되며, 이에 따라 충방전 시 전류 밀도 불균일이 발생한다. 또한, 지나치게 실리콘 입자가 큰 경우, 음극 슬러리의 상안정성이 불안정해지므로, 공정성이 저하된다. 이에 따라 전지의 용량 유지율이 저하된다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 활물질은 일반적으로 특징적인 BET 표면적을 갖는다. 실리콘계 활물질의 BET 표면적은 바람직하게는 0.01 m2/g 내지 150.0 m2/g, 더욱 바람직하게는 0.1 m2/g 내지 100.0 m2/g, 특히 바람직하게는 0.2 m2/g 내지 80.0 m2/g, 가장 바람직하게는 0.2 m2/g 내지 18.0 m2/g이다. BET 표면적은 (질소를 사용하여) DIN 66131에 따라 측정된다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 실리콘계 활물질은 예컨대 결정 또는 비정질 형태로 존재할 수 있으며, 바람직하게는 다공성이 아니다. 규소 입자는 바람직하게는 구형 또는 파편형 입자이다. 대안으로서 그러나 덜 바람직하게는, 규소 입자는 또한 섬유 구조를 가지거나 또는 규소 포함 필름 또는 코팅의 형태로 존재할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질은 상기 음극 활물질층 조성물 100 중량부 기준 60 중량부 이상 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 활물질은 상기 음극 활물질층 조성물 100 중량부 기준 60 중량부 이상 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 활물질은 상기 음극 활물질층 조성물 100 중량부 기준 60 중량부 이상, 바람직하게는 65 중량부 이상, 더욱 바람직하게는 70 중량부 이상을 포함할 수 있으며, 95 중량부 이하, 바람직하게는 90 중량부 이하, 더욱 바람직하게는 80 중량부 이하를 포함할 수 있다.
본 출원에 따른 음극 활물질층 조성물은 용량이 현저히 높은 실리콘계 활물질을 상기 범위로 사용하여도 충방전 과정에서 부피 팽창율을 잡아줄 수 있는 특정의 음극 도전재 및 음극 바인더를 사용하여, 상기 범위를 포함하여도 음극의 성능을 저하시키지 않으며 충전 및 방전에서의 출력 특성이 우수한 특징을 갖게 된다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 활물질은 비구형 형태를 가질 수 있고 그 구형화도는 예를 들어 0.9 이하, 예를 들어 0.7 내지 0.9, 예를 들어 0.8 내지 0.9, 예를 들어 0.85 내지 0.9이다.
본 출원에 있어서, 상기 구형도(circularity는) 하기 식 1로 결정되며, A는 면적이고, P는 경계선이다.
[식 1]
4πA/P2
종래에는 음극 활물질로서 흑연계 화합물만을 사용하는 것이 일반적이었으나, 최근에는 고용량 전지에 대한 수요가 높아짐에 따라, 용량을 높이기 위하여 실리콘계 화합물을 혼합하여 사용하려는 시도가 늘어나고 있다. 다만, 실리콘계 화합물의 경우, 충/방전 과정에서 부피가 급격하게 팽창하여, 음극 활물질 층 내에 형성된 도전 경로를 훼손시켜 전지의 성능을 되려 저하시킨다는 한계가 존재한다.
따라서, 본 출원의 일 실시상태에 있어서, 음극 활물질층 조성물은 음극 도전재 및 음극 바인더를 포함할 수 있다. 즉 음극 도전재는 도전성 경로를 확보하는 역할을 하게 되며, 바인더는 이러한 음극 도전재를 충방전시 잡아줄 수 있는 역할을 하게 된다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 도전재는 점형 도전재; 면형 도전재; 및 선형 도전재로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 점형 도전재는 음극에 도전성을 향상시키기 위해 사용될 수 있고, 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 형성하는 것으로 그 형태가 원형 또는 점형인 도전재를 의미한다. 구체적으로 상기 점형 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙, 도전성 섬유, 플루오로카본, 알루미늄 분말, 니켈 분말, 산화아연, 티탄산 칼륨, 산화 티탄 및 폴리페닐렌 유도체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종일 수 있으며, 바람직하게는 높은 도전성을 구현하며, 분산성이 우수하다는 측면에서 카본 블랙을 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 점형 도전재는 BET 비표면적이 40m2/g 이상 70m2/g 이하일 수 있으며, 바람직하게는 45m2/g 이상 65m2/g 이하, 더욱 바람직하게는 50m2/g 이상 60m2/g 이하일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어어서, 상기 점형 도전재의 입경은 10nm 내지 100nm일 수 있으며, 바람직하게는 20nm 내지 90nm, 더욱 바람직하게는 40nm 내지 60nm일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 도전재는 면형 도전재를 포함할 수 있다.
상기 면형 도전재는 음극 내에서 실리콘 입자들 간의 면 접촉을 증가시켜 도전성을 개선하고, 동시에 부피 팽창에 따른 도전성 경로의 단절을 억제하는 역할을 하는 도전재를 의미한다. 상기 면형 도전재는 판상형 도전재 또는 bulk형 도전재로 표현될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재는 판상형 흑연, 그래핀, 그래핀 옥사이드, 및 흑연 플레이크로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 판상형 흑연일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재의 평균 입경(D50)은 2㎛ 내지 7㎛일 수 있으며, 구체적으로 3㎛ 내지 6㎛일 수 있고, 보다 구체적으로 4㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 충분한 입자 크기에 기하여, 음극 슬러리의 지나친 점도 상승을 야기하지 않으면서도 분산이 용이하다. 따라서, 동일한 장비와 시간을 사용하여 분산시킬 때 분산 효과가 뛰어나다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재는 D10이 0.5μm 이상 1.5μm 이하이고, D50이 4.0μm 이상 5.0μm 이하이며, D90이 7.0μm 이상 15.0μm 이하인 것인 음극 조성물을 제공한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재는 BET 비표면적이 높은 고비표면적 면형 도전재; 또는 저비표면적 면형 도전재를 사용할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재로 고비표면적 면형 도전재; 또는 저비표면적 면형 도전재를 제한없이 사용할 수 있으나, 특히 본 출원에 따른 면형 도전재는 전극 성능에서 어느 정도 분산 영향을 받을 수 있어, 분산에 문제가 발생하지 않는 저비표면적 면형 도전재를 사용하는 것이 특히 바람직할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재는 BET 비표면적이 1m2/g 이상일 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재는 BET 비표면적이 1m2/g 이상 500m2/g 이하일 수 있으며, 바람직하게는 5m2/g 이상 300m2/g 이하, 더욱 바람직하게는 5m2/g 이상 250m2/g 이하일 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재는 고비표면적 면형 도전재이며, BET 비표면적이 50m2/g 이상 500m2/g 이하, 바람직하게는 80m2/g 이상 300m2/g 이하, 더욱 바람직하게는 100m2/g 이상 250m2/g 이하의 범위를 만족할 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재는 저비표면적 면형 도전재이며, BET 비표면적이 1m2/g 이상 40m2/g 이하, 바람직하게는 5m2/g 이상 30m2/g 이하, 더욱 바람직하게는 5m2/g 이상 25m2/g 이하의 범위를 만족할 수 있다.
그 외 도전재로는 탄소나노튜브 등의 선형 도전재가 있을 수 있다. 탄소나노튜브는 번들형 탄소나노튜브일 수 있다. 상기 번들형 탄소나노튜브는 복수의 탄소나노튜브 단위체들을 포함할 수 있다. 구체적으로, 여기서 '번들형(bundle type)'이란, 달리 언급되지 않는 한, 복수 개의 탄소나노튜브 단위체가 탄소나노튜브 단위체 길이 방향의 축이 실질적으로 동일한 배향으로 나란하게 배열되거나 또는 뒤엉켜있는, 다발(bundle) 혹은 로프(rope) 형태의 2차 형상을 지칭한다. 상기 탄소나노튜브 단위체는 흑연면(graphite sheet)이 나노 크기 직경의 실린더 형태를 가지며, sp2결합 구조를 갖는다. 이때 상기 흑연면이 말리는 각도 및 구조에 따라서 도체 또는 반도체의 특성을 나타낼 수 있다. 상기 번들형 탄소나노튜브는 인탱글형(entangled type) 탄소나노튜브에 비해 음극 제조 시 균일하게 분산될 수 있으며, 음극 내 도전성 네트워크를 원활하게 형성하여, 음극의 도전성이 개선될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 도전재는 선형 도전재를 포함하며, 상기 선형 도전재는 탄소 나노 튜브일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 탄소 나노 튜브는 SWCNT 또는/및 MWCNT 일 수 있다. 선형 도전제가 SWCNT인 경우 SWCNT의 길이는 0.5㎛ 내지 100㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 80㎛일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 도전재는 상기 음극 활물질층 조성물 100 중량부 기준 5 중량부 이상 40 중량부 이하를 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 도전재는 상기 음극 활물질층 조성물 100 중량부 기준 5 중량부 이상 40 중량부 이하, 바람직하게는 5 중량부 이상 30 중량부 이하, 더욱 바람직하게는 5 중량부 이상 25 중량부 이하를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 도전재는 면형 도전재 및 선형 도전재를 포함하며, 상기 면형 도전재:선형 도전재의 비율은 1:0.001 내지 1:0.3를 만족할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 도전재가 면형 도전재 및 선형 도전재를 포함하며 각각 상기 조성 및 비율을 만족함에 따라, 기존 리튬 이차 전지의 수명 특성에는 큰 영향을 미치지 않으며, 충전 및 방전이 가능한 포인트가 많아져 높은 C-rate에서 출력 특성이 우수한 특징을 갖게 된다.
본 출원에 따른 음극 도전재의 경우 양극에 적용되는 도전재와는 전혀 별개의 구성을 갖는다. 즉 본 출원에 따른 음극 도전재의 경우 충전 및 방전에 의해서 전극의 부피 팽창이 매우 큰 실리콘계 활물질들 사이의 접점을 잡아주는 역할을 하는 것으로, 양극 도전재는 압연될 때 완충 역할의 버퍼 역할을 하면서 일부 도전성을 부여하는 역할로, 본원 발명의 음극 도전재와는 그 구성 및 역할이 전혀 상이하다.
또한, 본 출원에 따른 음극 도전재는 실리콘계 활물질에 적용되는 것으로, 흑연계 활물질에 적용되는 도전재와는 전혀 상이한 구성을 갖는다. 즉 흑연계 활물질을 갖는 전극에 사용되는 도전재는 단순히 활물질 대비 작은 입자를 갖기 때문에 출력 특성 향상과 일부의 도전성을 부여하는 특성을 갖는 것으로, 본원 발명과 같이 실리콘계 활물질과 함께 적용되는 음극 도전재와는 구성 및 역할이 전혀 상이하다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 전술한 음극 도전재로 사용되는 판상형 도전재는 일반적으로 음극 활물질로 사용되는 탄소계 활물질과 상이한 구조 및 역할을 갖는다. 구체적으로, 음극 활물질로 사용되는 탄소계 활물질은 인조 흑연 또는 천연 흑연일 수 있으며, 리튬 이온의 저장 및 방출을 용이하게 하기 위하여 구형 또는 점형의 형태로 가공하여 사용하는 물질을 의미한다.
반면, 음극 도전재로 사용되는 판상형 도전재는 면 또는 판상의 형태를 갖는 물질로, 판상형 흑연으로 표현될 수 있다. 즉, 음극 활물질층 내에서 도전성 경로를 유지하기 위하여 포함되는 물질로 리튬의 저장 및 방출의 역할이 아닌 음극 활물질층 내부에서 면형태로 도전성 경로를 확보하기 위한 물질을 의미한다.
즉, 본 출원에 있어서, 판상형 흑연이 도전재로 사용되었다는 것은 면형 또는 판상형으로 가공되어 리튬을 저장 또는 방출의 역할이 아닌 도전성 경로를 확보하는 물질로 사용되었다는 것을 의미한다. 이 때, 함께 포함되는 음극 활물질은 리튬 저장 및 방출에 대한 용량 특성이 높으며, 양극으로부터 전달되는 모든 리튬 이온을 저장 및 방출할 수 있는 역할을 하게 된다.
반면, 본 출원에 있어서, 탄소계 활물질이 활물질로 사용되었다는 것은 점형 또는 구형으로 가공되어 리튬을 저장 또는 방출의 역할을 하는 물질로 사용되었다는 것을 의미한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 바인더는 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 물질로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 또한 이들의 다양한 공중합체를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 따른 음극 바인더는 실리콘계 활물질의 부피 팽창 및 완화에 있어, 음극 구조의 뒤틀림, 구조 변형을 방지하기 위해 실리콘계 활물질 및 음극 도전재를 잡아주는 역할을 하는 것으로, 상기 역할을 만족하면 일반적인 음극 바인더 모두를 적용할 수 있으며, 구체적으로 수계 바인더를 사용할 수 있고 더욱 구체적으로는 PAM계 바인더를 사용할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층 조성물 100 중량부 기준 상기 음극 바인더 30 중량부 이하, 바람직하게는 25 중량부 이하, 더욱 바람직하게는 20 중량부 이하를 포함할 수 있으며, 5 중량부 이상, 8 중량부 이상을 포함할 수 있다.
기존 탄소계 음극대비, Si 계를 음극에 사용하는 경우 수계 바인더가 상기 중량부로 적용되어 작용기 함량이 낮은 점형 도전재를 사용할 수 있고, 상기 특징에 따라 점형 도전재가 소수성을 가져 도전재/바인더와의 결합 강도가 우수해지는 특징을 갖게 된다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘계 음극은 상기 음극 활물질층 조성물을 포함하는 음극 슬러리를 음극 집전체층의 일면 또는 양면에 코팅하여 형성할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 슬러리는 음극 활물질층 조성물; 및 슬러리 용매;를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 슬러리의 고형분 함량은 5% 이상 40% 이하를 만족할 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 슬러리의 고형분 함량은 5% 이상 40% 이하, 바람직하게는 7% 이상 35% 이하, 더욱 바람직하게는 10% 이상 30% 이하의 범위를 만족할 수 있다.
상기 음극 슬러리의 고형분 함량이라는 것은 상기 음극 슬러리 내에 포함되는 음극 조성물의 함량을 의미할 수 있으며, 음극 슬러리 100 중량부를 기준으로 상기 음극 조성물의 함량을 의미할 수 있다.
상기 음극 슬러리의 고형분 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 음극 활물질층 형성시 점도가 적당하여 음극 조성물의 입자 뭉침 현상을 최소화하여 음극 활물질층을 효율적으로 형성할 수 있는 특징을 갖게 된다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 슬러리 용매는 전술한 음극 조성물을 분산할 수 있으면 제한없이 사용될 수 있으나, 구체적으로 물 또는 NMP를 사용할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층의 공극률은 10% 이상 60% 이하의 범위를 만족할 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층의 공극률은 10% 이상 60% 이하, 바람직하게는 20% 이상 50% 이하, 더욱 바람직하게는 30% 이상 45% 이하의 범위를 만족할 수 있다.
상기 공극률은 음극 활물질층에 포함되는 실리콘계 활물질; 도전재; 및 바인더의 조성 및 함량에 따라 변동되는 것으로, 특히 본 출원에 따른 실리콘계 활물질; 및 도전재를 특정 조성 및 함량부 포함함에 따라 상기 범위를 만족하는 것으로, 이에 따라 전극에 있어 전기 전도도 및 저항이 적절한 범위를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 양극은 양극 집전체층; 및 상기 양극 집전체층의 일면 또는 양면에 구비된 양극 활물질층 조성물을 포함하는 양극 활물질층을 포함한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 양극 활물질층은 양극 활물질층 조성물을 포함하고, 상기 양극 활물질층 조성물은 양극 활물질; 양극 도전재; 및 양극 바인더로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함할 수 있다.
상기 양극에 있어서, 양극 집전체층은 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 집전체층은 통상적으로 1 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 양극 집전체층 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질과의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 양극 및 음극 집전체층의 두께는 1μm 이상 100μm 이하이며, 상기 양극 및 음극 활물질층의 두께는 20μm 이상 500μm 이하인 것인 리튬 이차 전지를 제공한다.
상기 양극 활물질은 통상적으로 사용되는 양극 활물질일 수 있다. 구체적으로, 상기 양극 활물질은 LiNixCoyMnzO2 (x+y+z=1); LiNiaCobMncAldO2(a+b+c+d=1); LiMn2O4; LiNi0.5Mn1.5O2; 및 LiMxFeyPO4(M: Transition metal, x+y=1)로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함할 수 있다. 이 때 양극 활물질은 이들로만 한정되는 것은 아니다.
구체적으로 상기 양극 활물질은 통상적으로 사용되는 NCM 또는 NCMA를 사용할 수 있다.
일반적으로, 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≤0.6를 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≤0.6를 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.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 양극 활물질은 니켈 (Ni), 코발트 (Co) 및 망간(Mn)을 포함하는 리튬 복합 전이금속 화합물을 포함하고, 상기 리튬 복합 전이금속 화합물은 단입자 또는 이차 입자를 포함하고, 상기 단입자의 평균 입경(D50)은 1㎛ 이상일 수 있다.
예컨대, 상기 단입자의 평균입경(D50)은 1 ㎛ 이상 12 ㎛ 이하, 1 ㎛ 이상 8 ㎛ 이하, 1 ㎛ 이상 6㎛ 이하, 1 ㎛ 초과 12 ㎛ 이하, 1 ㎛ 초과 8 ㎛ 이하, 또는 1 ㎛ 초과 6㎛ 이하일 수 있다.
상기 단입자는 평균 입경(D50)이 1㎛ 이상 12㎛ 이하의 소입경으로 형성되더라도, 그 입자 강도가 우수할 수 있다. 예를 들면, 상기 단입자는 650 kgf/cm2의 힘으로 압연시 100MPa 내지 300MPa의 입자강도를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 단입자를 650 kgf/cm2의 강한 힘으로 압연하더라도, 입자의 깨짐에 의한 전극 내 미립자 증가 현상이 완화되며, 이에 의해 전지의 수명 특성이 개선된다.
상기 단입자는 전이금속 전구체와 리튬 원료 물질을 혼합하고 소성하여 제조될 수 있다. 상기 이차 입자는 상기 단입자와 다른 방법으로 제조될 수 있으며, 그 조성은 단입자의 조성과 같을 수도 있고 다를 수도 있다.
상기 단입자를 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않으나, 일반적으로 소성 온도를 높여 과소성하여 형성할 수 있으며, 과소성에 도움이 되는 입성장 촉진제 등의 첨가제를 사용하거나, 시작 물질을 변경하는 방법 등으로 제조할 수 있다.
예컨대, 상기 소성은 단입자를 형성할 수 있는 온도로 수행된다. 이를 형성하기 위해서는 이차 입자 제조 시보다 높은 온도에서 소성이 수행되어야 하며, 예를 들면, 전구체 조성이 동일한 경우에 이차 입자 제조 시보다 30℃ 내지 100℃ 정도 높은 온도에서 소성이 되어야 한다. 상기 단입자 형성을 위한 소성 온도는 전구체 내 금속 조성에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들면, 니켈(Ni)의 함량이 80몰% 이상인 고함량 니켈(High-Ni) NCM계 리튬 복합 전이금속 산화물을 단입자로 형성하고자 경우, 소성 온도는 700℃ 내지 1000℃, 바람직하게는 800℃ 내지 950℃ 정도일 수 있다. 소성 온도가 상기 범위를 만족할 때, 전기화학적 특성이 우수한 단입자를 포함하는 양극 활물질이 제조될 수 있다. 소성 온도가 790℃ 미만인 경우에는 이차 입자 형태인 리튬 복합전이금속 화합물을 포함하는 양극 활물질이 제조될 수 있으며, 950℃를 초과할 경우, 소성이 과도하게 일어나 층상 결정 구조가 제대로 형성되지 않아 전기화학적 특성이 저하될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 단입자라는 것은 종래의 수십 내지 수백개의 일차 입자들이 응집하여 형성되는 이차 입자와 구별하기 위해 사용되는 용어로, 1개의 일차 입자로 이루어진 단일 입자와 30개 이하의 일차 입자들의 응집체인 유사-단입자 형태를 포함하는 개념이다.
구체적으로, 본 발명에서 단입자는 1개의 일차 입자로 이루어진 단일 입자 또는 30개 이하의 일차 입자들의 응집체인 유사-단입자 형태일 수도 있고, 이차 입자는 수백개의 일차 입자들이 응집된 형태일 수도 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 양극 활물질인 리튬 복합 전이금속 화합물은 이차 입자를 더 포함하고, 상기 단입자의 평균 입경(D50)은 상기 이차 입자의 평균 입경(D50) 보다 작다.
본 발명에서 단입자는 1개의 일차 입자로 이루어진 단일 입자 또는 30개 이하의 일차 입자들의 응집체인 유사-단입자 형태일 수 있고, 이차 입자는 수백개의 일차 입자들이 응집된 형태일 수 있다.
전술한 리튬 복합 전이금속 화합물은 이차 입자를 더 포함할 수 있다. 이차 입자란 일차 입자들이 응집하여 형성된 형태를 의미하며, 1개의 일차 입자, 1개의 단일 입자 또는 30개 이하의 일차 입자들의 응집체인 유사-단입자 형태를 포함하는 단입자의 개념과 구별될 수 있다.
상기 이차 입자의 입경(D50)은 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 2 ㎛ 내지 17 ㎛, 바람직하게는 3 ㎛ 내지 15 ㎛일 수 있다. 상기 이차 입자의 비표면적(BET)은 0.05 m2/g 내지 10 m2/g 일 수 있고, 바람직하게는 0.1 m2/g 내지 1 m2/g 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.3 m2/g 내지 0.8 m2/g 일 수 있다.
본 출원의 추가의 실시상태에 있어서, 상기 이차 입자는 일차 입자의 응집체이고, 상기 일차 입자의 평균 입경(D50)은 0.5㎛ 내지 3㎛이다. 구체적으로, 상기 이차 입자는 수백 개의 일차 입자들이 응집된 형태일 수 있고, 상기 일차 입자의 평균 입경(D50)이 0.6㎛ 내지 2.8㎛, 0.8㎛ 내지 2.5㎛, 또는 0.8㎛ 내지 1.5㎛일 수 있다.
일차 입자의 평균 입경(D50)이 상기 범위를 만족할 경우, 전기 화학적 특성이 우수한 단입자 양극 활물질을 형성할 수 있다. 일차 입자의 평균 입경(D50)이 너무 작으면, 리튬 니켈계 산화물 입자를 형성하는 일차 입자의 응집 개수가 많아져 압연 시에 입자 깨짐 발생 억제 효과가 떨어지고, 일차 입자의 평균 입경(D50)이 너무 크면 일차 입자 내부에서의 리튬 확산 경로가 길어져 저항이 증가하고 출력 특성이 떨어질 수 있다.
본 출원의 추가의 실시상태에 따르면, 상기 단입자의 평균 입경(D50)은 상기 이차 입자의 평균 입경(D50) 보다 작은 것을 특징으로 한다. 이로써, 상기 단입자는 소입경으로 형성되더라도 그 입자 강도가 우수할 수 있고, 이로 인하여 입자의 깨짐에 의한 전극 내 미립자 증가 현상이 완화되며, 이에 의해 전지의 수명특성이 개선될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 단입자의 평균 입경(D50)은 상기 이차 입자의 평균 입경(D50) 보다 1 ㎛ 내지 18 ㎛ 작다.
예컨대, 상기 단입자의 평균 입경(D50)은 상기 이차 입자의 평균 입경(D50) 보다 1 ㎛ 내지 16 ㎛ 작을 수 있고, 1.5 ㎛ 내지 15㎛ 작을 수 있고, 또는 2 ㎛ 내지 14㎛ 작을 수 있다.
단입자의 평균 입경(D50)이 이차 입자의 평균 입경(D50) 보다 작은 경우, 예컨대 상기 범위를 만족할 때, 상기 단입자는 소입경으로 형성되더라도 그 입자 강도가 우수할 수 있고, 이로 인하여 입자의 깨짐에 의한 전극 내 미립자 증가 현상이 완화되어, 전지의 수명특성 개선 및 에너지 밀도 개선 효과가 있다.
본 출원의 추가의 실시상태에 따르면, 상기 단입자는 상기 양극 활물질 100 중량부 대비 15 중량부 내지 100 중량부로 포함된다. 상기 단입자는 상기 양극 활물질 100 중량부 대비 20 중량부 내지 100 중량부, 또는 30 중량부 내지 100 중량부 포함될 수 있다.
예컨대, 상기 단입자는 상기 양극 활물질 100 중량부 대비 15 중량부 이상, 20 중량부 이상, 25중량부 이상, 30 중량부 이상, 35 중량부 이상, 40 중량부 이상, 또는 45 중량부 이상 포함될 수 있다. 상기 단입자는 상기 양극 활물질 100 중량부 대비 100 중량부 이하 포함될 수 있다.
상기 범위의 단입자를 포함할 때, 전술한 음극 재료와 조합되어 우수한 전지 특성을 나타낼 수 있다. 특히, 상기 단입자가 15 중량부 이상인 경우, 전극 제작 후 압연 과정에서 입자 깨짐에 의한 전극 내 미립자 증가 현상이 완화될 수 있으며, 이에 의해 전지의 수명특성이 개선될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 리튬 복합 전이금속 화합물은 이차 입자를 더 포함할 수 있고, 상기 이차 입자는 상기 양극 활물질 100 중량부 대비 85 중량부 이하일 수 있다. 상기 이차 입자는 상기 양극 활물질 100 중량부 대비 80 중량부 이하, 75 중량부 이하, 또는 70 중량부 이하일 수 있다. 상기 이차 입자는 상기 양극 활물질 100 중량부 대비 0 중량부 이상일 수 있다.
상기 범위를 만족할 때, 단입자의 양극 활물질의 존재에 의한 전술한 효과를 극대화할 수 있다. 이차 입자의 양극 활물질을 포함하는 경우, 그 성분은 전술한 단입자 양극 활물질로 예시된 것과 같은 성분일 수 있고, 다른 성분일 수 있으며, 단입자 형태가 응집된 형태를 의미할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 양극 활물질층 100 중량부 중의 양극 활물질은 80 중량부 이상 99.9 중량부 이하, 바람직하게는 90 중량부 이상 99.9 중량부 이하, 더욱 바람직하게는 95 중량부 이상 99.9 중량부 이하, 더더욱 바람직하게는 98 중량부 이상 99.9 중량부 이하로 포함될 수 있다.
상기 양극 활물질층은 앞서 설명한 양극 활물질과 함께, 양극 도전재 및 양극 바인더를 포함할 수 있다.
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.
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.
상기 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 전해질 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.
본 출원에 있어서, 상기 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.
구체적으로, 상기 전해질은 비수계 유기용매와 금속염을 포함할 수 있다.
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, 테트라하이드로푸란, 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.
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.
상기 금속염은 리튬염을 사용할 수 있고, 상기 리튬염은 상기 비수 전해질에 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.
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.
본 발명의 일 실시상태는 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.
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.
<제조예>
(1) 음극의 제조
음극 활물질층 제조
실리콘계 활물질로서 Si(평균 입경(D50): 5㎛), 제1 도전재 및 제2 도전재 및 바인더로서 폴리아크릴아마이드를 80:9.6:0.4:10의 중량비로 음극 활물질층 조성물을 준비하였다. 음극 슬러리 형성용 용매로서 증류수에 첨가하여 음극 슬러리를 제조하였다 (고형분 농도 28중량%).
상기 제1 도전재는 판상의 흑연 (비표면적: 17m2/g, 평균 입경(D50): 3.5um)이고, 제2 도전재는 카본나노튜브이다.
믹싱 방법으로는 상기 제1 도전재, 제2 도전재와 바인더와 물을 homo 믹서를 이용하여 2500rpm, 30min 분산시켜 준 후 활물질을 첨가한 후 2500rpm, 30min을 분산시켜 슬러리를 제작하였다.
음극 집전체로서 구리 집전체(두께: 15㎛)의 양면에 상기 음극 슬러리를 3.00mg/cm2의 로딩량으로 코팅하고, 압연(roll press)하고, 130℃의 진공 오븐에서 10시간 동안 건조하여 음극 활물질층(두께: 23㎛)을 형성하였다.
(2) 양극의 제조
양극 활물질로서 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(평균 입경(D50): 15㎛), 도전재로서 카본블랙 (제품명: Super C65, 제조사: Timcal), 바인더로서 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)를 97:1.5:1.5의 중량비로 양극 슬러리 형성용 용매로서 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 첨가하여 양극 슬러리를 제조하였다(고형분 농도 78중량%).
양극 집전체로서 알루미늄 집전체(두께: 12㎛)의 양면에 상기 양극 슬러리를 537mg/25cm2의 로딩량으로 코팅하고, 압연(roll press)하고, 130℃의 진공 오븐에서 10시간 동안 건조하여 양극 활물질층(두께: 65㎛)을 형성하여, 양극을 제조하였다 (양극의 두께: 77㎛, 공극률 26%).
상기 양극과 음극 사이에 폴리에틸렌 분리막을 개재하고 전해질을 주입하여 하기 표 1의 리튬이차전지를 제조하였다.
N/P Ratio 음극 용량 상단(%) 음극 용량 하단(%) △Si (%) 전리튬화 적용 전극 전리튬화 Li metal 두께
(μm)		 USOC
실시예 1 240 51 24 27 양극 6 65
실시예 2 240 51 24 27 음극 6 65
실시예 3 190 56.8 22.4 34.4 양극 3 65
비교예 1 180미만/240초과 53초과 13미만 35 X - 80
비교예 2 240 59.9 22 37.8 양극 12 90
비교예 3 240 51 9.4 42 양극 6 100
상기 표 1에서 전리튬화 적용 전극 제조 방법은 하기와 같았다.
<전사 방식의 전리튬화>
PET(PET일면에 이형층 코팅, 아이원필름, 두께 20 μm ~50 μm)층의 이형층이 코팅된 상부에 리튬 금속을 PVD 방식을 이용하여 상기 PET 기재 상부에 상기 표 1의 수준의 두께(전리튬화 dosage)로 증착하여, 전사 적층체를 제조하고, 표 1의 전극 상부에 리튬 금속층을 전사하여 전리튬화를 진행하였다.
실험예 1: 수명 성능 평가
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 음극을 포함하는 리튬 이차 전지에 대해 전기화학 충방전기를 이용하여 수명 평가를 진행하였고 용량 유지율을 평가하였다. 이차전지를 4.2-3.2V 1C/0.5C로 사이클(cycle) 테스트를 진행하였고, 용량 유지율이 80%가 되는 cycle 횟수를 측정하여, 하기 표 2에 나타내었다.
수명 유지율(%) = {(N번째 사이클에서의 방전 용량)/(첫 번째 사이클에서의 방전 용량)} Х 100
실험예 2: 저항 증가율 측정 평가
상기 실험예 1에서 테스트시 50사이클(cycle) 마다 0.33C/0.33C 충/방전(4.2-3.0V)하여 용량 유지율을 측정한 후, SOC50에서 2.5C Pulse로 방전하여 저항을 측정하였고, 해당 저항 증가율을 비교 분석하였다.
상기 저항 증가율 측정 평가에 대하여, 각각 600cycle 에서의 데이터를 계산하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
실험예 1(횟수) 850 810 750 400 690 610
실험예 2 (%) -2 3 7 67 32 43
상기 표 1 및 표 2에서 알 수 있듯, 실시예에 따른 리튬 이차 전지는 양극 또는 음극에 특정 양의 전리튬화를 진행하여 실리콘계 음극을 사용함에 있어, 전체 방전 용량 사용 범위를 제한하고, 구체적으로 방전 용량 상단 및 하단을 제어한 것을 주된 특징으로 함을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 실리콘계 음극을 사용하는 경우의 장점인 고용량, 고에너지 밀도를 달성할 수 있는 전지를 생산할 수 있음과 동시에 기존의 문제점인 사이클 반복시 부피팽창에 따른 수명 성능 악화의 문제 및 저항 증가의 문제를 해결한 특징을 갖게 됨을 확인할 수 있었다.
즉, 본 출원에 따른 리튬 이차 전지는 음극에 포함되는 실리콘의 사용 영역을 제한하여 리튬 이차 전지의 수명 성능을 확보한 것을 주된 특징으로 한다.
비교예 1의 경우 양극 또는 음극에 전리튬화를 적용하지 않은 경우로, NP ratio 범위 또한 낮게 형성되며, 상단 및 하단을 모두 깊게 사용하여 충방전에 따른 리튬의 수명 성능 저하가 심해짐을 확인할 수 있으며, 저항 증가율이 높은 것을 확인할 수 있었다.
비교예 2 및 비교예 3의 경우 전리튬화를 진행하였으나, 본원 발명 상단 및 하단의 용량을 만족하지 않는 정도로 전리튬화를 진행한 것이다. 구체적으로 상기 비교예 3의 경우 음극 용량 상단 범위가 본 출원에 따른 범위를 초과하는 경우이며, 비교예 3의 경우는 음극 용량 하단 범위가 본 출원에 따른 범위 미만에 해당하는 경우이다. 해당 경우에도 비교예 1 만큼 성능이 저하되는 것은 아니나, 실시예 1 내지 3에 비하여 음극 부피팽창에 따른 수명 성능이 저하되는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (8)

  1. 실리콘계 음극; 양극; 분리막; 및 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지로,
    상기 양극 또는 실리콘계 음극은 전리튬화된 전극이고,
    상기 실리콘계 음극의 실리콘 방전 용량 사용 범위는 전체 음극 방전 용량의 35% 이하이며,
    상기 실리콘계 음극의 실리콘 방전 용량 상단은 57% 이하, 하단은 13% 이상인 것인 리튬 이차 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 리튬 이차 전지의 NP ratio는 170% 이상 280% 이하인 것인 리튬 이차 전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리콘 방전 용량 상단 및 하단의 차이가 35% 미만인 것인 리튬 이차 전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리콘계 음극의 실리콘 방전 용량 상단은 45% 이상 57% 이하이고,
    상기 실리콘계 음극의 실리콘 방전 용량 하단은 13% 이상 28% 이하인 것인 리튬 이차 전지.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 실리콘계 음극은 음극 집전체층 및 상기 음극 집전체층의 일면 또는 양면에 구비된 음극 활물질층 조성물을 포함하는 음극 활물질층을 포함하고,
    상기 양극은 양극 집전체층; 및 상기 양극 집전체층의 일면 또는 양면에 구비된 양극 활물질층 조성물을 포함하는 양극 활물질층을 포함하며
    상기 음극 활물질층 조성물은 실리콘계 활물질; 음극 도전재; 및 음극 바인더를 포함하며,
    상기 실리콘계 활물질은 SiOx (x=0), SiOx (0<x<2) 및 금속 불순물로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함하며, 상기 실리콘계 활물질 100 중량부 기준 상기 SiOx (x=0)를 70 중량부 이상 포함하는 것인 리튬 이차 전지.
  6. 청구항 5 있어서, 상기 음극 활물질층 조성물 100 중량부 기준 상기 실리콘계 활물질은 60 중량부 이상 포함하는 것인 리튬 이차 전지.
  7. 청구항 5 있어서,
    상기 양극 활물질층 조성물은 양극 활물질을 포함하고,
    상기 양극 활물질은 LiNixCoyMnzO2 (x+y+z=1); LiNiaCobMncAldO2(a+b+c+d=1); LiMn2O4; LiNi0.5Mn1.5O2; 및 LiMxFeyPO4(M: Transition metal, x+y=1)로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함하는 것인 리튬 이차 전지.
  8. 청구항 5 있어서,
    상기 양극 및 음극 집전체층의 두께는 1μm 이상 100μm 이하이며,
    상기 양극 및 음극 활물질층의 두께는 20μm 이상 500μm 이하인 것인 리튬 이차 전지.
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