KR101666427B1 - Lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
본 발명에 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지는 실리콘 (Si) 합금을 포함하는 음극 활물질; 바인더; 및 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 를 포함하며, 리튬 이차 전지용 음극활물질층용 조성극판에 포함되는 실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 비율은 800 대 3 내지 20 대 1인 것을 특징으로 한다.A lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a negative electrode active material including a silicon (Si) alloy; bookbinder; And a single-walled carbon nanotube (SWCNT), wherein the ratio of SWCNTs to silicon (Si) alloys included in the compositional electrode for a negative active material layer for a lithium secondary battery is 800: 3 to 20: 1.
Description
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 극판 용량이 높고 효율이 우수한 리튬 이차 전지에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a lithium secondary battery, and more particularly, to a lithium secondary battery having a high electrode plate capacity and an excellent efficiency.
종래 리튬 전지의 음극 활물질로는 리튬 금속을 사용하였으나, 리튬 금속을 사용할 경우 덴드라이트 (dendrite) 형성으로 인한 전지 단락이 발생하여 폭발의 위험성이 있으므로 리튬 금속 대신 탄소계 물질이 음극 활물질로서 많이 사용되고 있다.Conventionally, a lithium metal is used as a negative electrode active material of a lithium battery. However, when a lithium metal is used, a short circuit occurs due to formation of dendrite and there is a danger of explosion. Therefore, a carbon material instead of lithium metal is widely used as an anode active material .
상기 탄소계 활물질로서는, 천연 흑연 및 인조 흑연과 같은 결정질계 탄소와 소프트 카본(soft carbon) 및 하드 카본(hard carbon)과 같은 비정질계 탄소가 있다. 그러나 상기 비정질계 탄소는 용량이 크지만, 충방전 과정에서 비가역성이 크다는 문제점이 있다. 결정질계 탄소로는 흑연이 대표적으로 사용되며, 이론 한계 용량이 372㎃h/g으로서 용량이 높아 음극 활물질로 이용되고 있다.Examples of the carbon-based active material include crystalline carbon such as natural graphite and artificial graphite, and amorphous carbon such as soft carbon and hard carbon. However, although the amorphous carbon has a large capacity, there is a problem that irreversibility is large in the charging and discharging process. Graphite is a typical example of crystalline carbon, and its theoretical limit capacity is 372 mAh / g, which is used as an anode active material because of its high capacity.
차세대 고용량 리튬 전지의 개발을 위해서는 흑연의 용량을 뛰어넘는 고용량의 음극 활물질의 개발이 필수적이다. 이를 위해 현재 활발히 연구되고 있는 물질이 실리콘 합금을 이용한 음극 활물질이다. 실리콘은 고용량이면서 고에너지 밀도를 가지며, 탄소계 재료를 이용한 음극 활물질보다 많은 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있어 고용량 및 고에너지 밀도를 갖는 이차 전지를 제조할 수 있다.In order to develop a next-generation high-capacity lithium battery, it is essential to develop a high-capacity negative electrode active material that exceeds the capacity of graphite. To this end, active materials currently being studied are anode active materials using silicon alloys. Silicon has a high capacity and a high energy density and can absorb and release more lithium ions than an anode active material using a carbon-based material, so that a secondary battery having a high capacity and a high energy density can be manufactured.
그러나, 이러한 실리콘계 음극 활물질을 이용하여 리튬 이차 전지용 음극 극판을 제조하는 경우, 음극 극판 제조에 필수적으로 이용되는 바인더 등이 비가역 반응을 야기하여, 음극 극판의 용량, 초기 효율 및 수명 특성을 저하시키는 문제점이 있었다.However, when a negative electrode plate for a lithium secondary battery is manufactured using such a silicon-based negative electrode active material, a binder or the like, which is essentially used for manufacturing a negative electrode plate, causes a irreversible reaction, thereby deteriorating the capacity, initial efficiency, there was.
본 발명의 목적은 높은 용량을 가지고 초기 효율이 우수한 이차 전지를 구현할 수 있는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a lithium secondary battery having a high capacity and capable of realizing a secondary battery having excellent initial efficiency.
본 발명의 목적은 수명 특성이 향상된 이차 전지를 구현할 수 있는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a lithium secondary battery capable of realizing a secondary battery with improved life characteristics.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems of the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 실리콘 (Si) 합금 : 5.8wt% ~ 8wt% 및 흑연 : 88.70wt%~91.17wt%을 포함하는 음극 활물질; 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) ;According to an embodiment of the present invention, an anode active material comprising 5.8 wt% to 8 wt% of silicon (Si) alloy and 88.70 wt% to 91.17 wt% of graphite; Single-walled carbon nanotubes (SWCNT);
바인더; 및 증점제를 포함하되, 상기 상기 실리콘 (Si) 합금에 대한 상기 단일벽 탄소 나노 튜브(SWCNT) 의 비율은 160 대 1 내지 80 대 3을 유지하고, 상기 SWCNT 분산액은 0.05wt%~0.3wt%로 포함되는 음극 극판을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.bookbinder; And a thickener, wherein the ratio of the single-walled carbon nanotube (SWCNT) to the silicon (Si) alloy is maintained at 160: 1 to 80: 3, and the SWCNT dispersion 0.05wt% ~ 0.3wt% The present invention also provides a lithium secondary battery comprising the negative electrode plate.
본 발명에서 상기 실리콘 (Si) 합금에 실리콘 (Si) 은 40 wt%내지 70 wt%로 포함된다.In the present invention, silicon (Si) is contained in the silicon (Si) alloy in an amount of 40 wt% to 70 wt%.
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본 발명에서 상기 실리콘 (Si) 합금은 Si50(Cu50Al50)45Fe5 의 조성을 가진다.In the present invention, the silicon (Si) alloy has a composition of Si 50 (Cu 50 Al 50 ) 45 Fe 5 .
본 발명에서 상기 바인더는 SBR계열의 바인더로 1 내지 10 wt%로 포함된다.In the present invention, the binder is contained in an amount of 1 to 10 wt% as an SBR binder.
본 발명에서 상기 증점제는 CMC계열의 증점제로 0.01 내지 2 wt%로 포함된다.In the present invention, the thickener is contained in an amount of 0.01 to 2 wt% as a CMC series thickener.
본 발명에서 상기 음극 극판은 0.01 내지 5 wt%의 도전제를 더 포함한다.
In the present invention, the negative electrode plate further comprises 0.01 to 5 wt% of a conductive agent.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.The details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.
본 발명은 높은 용량을 가지고 초기 효율이 우수한 이차 전지를 구현할 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect of realizing a secondary battery having a high capacity and excellent initial efficiency.
본 발명은 수명 특성이 향상된 이차 전지를 구현할 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect of realizing a secondary battery with improved lifetime characteristics.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1a 내지 1c는 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 리튬 이차 전지용 음극 극판에 대한 수명 특성을 나타낸 그래프이다.
도 2a 내지 2c는 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 리튬 이차 전지용 음극 극판에 대한 수명 특성을 나타낸 그래프이다.FIGS. 1A to 1C are graphs showing lifetime characteristics of the negative electrode plate for a lithium secondary battery manufactured in Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
FIGS. 2A to 2C are graphs showing lifetime characteristics of the negative electrode plate for a lithium secondary battery manufactured in Example 2 and Comparative Example 2. FIG.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.It is to be understood that each of the features of the various embodiments of the present invention may be combined or combined with each other partially or entirely and technically various interlocking and driving is possible as will be appreciated by those skilled in the art, It may be possible to cooperate with each other in association.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어는 대략 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
It is to be understood that the word "a" or "an" is used herein to refer to that value or a value approximating the numerical value when both manufacturing and material tolerances inherent in the meaning referred to are presented, Is used to prevent the unauthorized use of unauthorized disclosure by the unauthorized infringer.
본 발명은 실리콘 (Si) 합금을 포함하는 음극 활물질, 바인더 및 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT)를 포함하는, 리튬 이차 전지용 음극 극판을 제공한다.The present invention provides a negative electrode plate for a lithium secondary battery comprising a negative electrode active material including a silicon (Si) alloy, a binder and a single wall carbon nanotube (SWCNT).
본 발명에서 실리콘 (Si) 합금은 음극 활물질로서, 리튬 이온의 흡장 및 방출에 관여할 수 있다.In the present invention, the silicon (Si) alloy is an anode active material, and can participate in the occlusion and release of lithium ions.
실리콘 (Si) 합금은 실리콘 (Si) 을 포함하는 합금으로서, 그 종류는 특별하게 한정되지 않는다. 실리콘 (Si) 합금은 실리콘 (Si) 을 기본적으로 포함하고, 알루미늄 (Al), 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 철 (Fe), 구리 (Cu), 크롬 (Cr), 지르코늄 (Zr), 티타늄 (Ti), 망간 (Mn) 중 하나 이상의 원소를 더 포함하는 합금일 수 있다. 실리콘 (Si) 합금에 실리콘 (Si) 은 40 at% 내지 70 at%로 포함될 수 있다.The silicon (Si) alloy is an alloy containing silicon (Si), and its kind is not particularly limited. The silicon (Si) alloy basically includes silicon (Si), and may be aluminum (Al), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), chromium (Cr), zirconium , Titanium (Ti), and manganese (Mn). The silicon (Si) alloy may include silicon (Si) in an amount of 40 at% to 70 at%.
바인더는 리튬 이차 전지용 음극 극판을 구성하는 성분들 간의 결합력을 증가시키는 역할을 수행할 수 있다. 바인더는 SBR (styrene-butadiene rubber) 계열의 바인더일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 아니한다.The binder may serve to increase the bonding force between the components constituting the negative electrode plate for a lithium secondary battery. The binder may be a styrene-butadiene rubber (SBR) binder, but is not limited thereto.
바인더는 리튬 이차 전지용 음극 극판에 1 내지 10 wt%로 포함될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 아니한다.The binder may be included in the negative electrode plate for a lithium secondary battery in an amount of 1 to 10 wt%, but is not limited thereto.
단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 는 리튬 이차 전지용 음극 극판에 소량 (구체적으로, 실리콘 (Si) 합금 대 SWCNT의 비율이 800 대 3 내지 20 대 1이 되도록) 포함되어, 리튬 이차 전지용 음극 극판의 용량, 초기 효율 및 수명 특성을 개선시키는 역할을 수행할 수 있다.The single-walled carbon nanotube (SWCNT) contains a small amount (specifically, the ratio of silicon (Si) alloy to SWCNT is 800: 3 to 20: 1) to the negative electrode plate for a lithium secondary battery so that the capacity of the negative electrode plate for a lithium secondary battery , And can improve the initial efficiency and lifetime characteristics.
탄소 나노 튜브는 (CNT) 그래파이트 면 (sheet) 이 나노미터 수준의 직경으로 둥글게 말린 형태를 가지며, 그래파이트 면이 말리는 각도와 형태에 따라서 다양한 구조를 가질 수 있다. 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 는 그래파이트 시트가 하나의 층으로 이루어지는 탄소 나노 튜브 (CNT) 를 지칭하며, 그래파이트 시트가 여러 개의 층으로 이루어지는 다중벽 탄소 나노 튜브 (MWCNT) 와 구별될 수 있다.Carbon nanotubes (CNT) have a rounded shape with a graphite sheet having a diameter of nanometer scale, and can have various structures depending on the angle and shape of the graphite surface. Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) refer to carbon nanotubes (CNTs) in which the graphite sheet is a single layer, and the graphite sheet can be distinguished from multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) composed of multiple layers.
단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 가 리튬 이차 전지용 음극 극판에 첨가되는 비율은 실리콘 (Si) 합금이 리튬 이차 전지용 음극 극판에 첨가되는 비율에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로, 실리콘 (Si) 합금의 첨가 비율이 증가되는 경우에는 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 의 첨가 비율 역시 함께 증가될 수 있고, 실리콘 (Si) 합금의 첨가 비율이 감소되는 경우에는 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 의 첨가 비율 역시 함께 감소될 수 있다.The ratio of the single wall carbon nanotube (SWCNT) added to the negative electrode plate for a lithium secondary battery may vary depending on the ratio of the silicon (Si) alloy added to the negative electrode plate for a lithium secondary battery. Specifically, when the addition ratio of the silicon (Si) alloy is increased, the addition ratio of the single wall carbon nanotube (SWCNT) can also be increased together, and when the addition ratio of the silicon (Si) alloy is decreased, The addition ratio of the nanotubes (SWCNT) can also be reduced together.
리튬 이차 전지용 음극 극판에 포함되는 실리콘 (Si) 합금에 대한 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 의 비율은 800 대 3 내지 20 대 1이며, 바람직하게는 160 대 1 내지 80 대 3일 수 있다. 따라서, 실리콘 (Si) 합금이 8 wt%의 비율로 혼합되는 경우에, 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 는 0.03 wt% 내지 0.4 wt%의 비율로, 바람직하게는 0.05 wt% 내지 0.3 wt%의 비율로 혼합될 수 있다.The ratio of the single-walled carbon nanotube (SWCNT) to the silicon (Si) alloy contained in the negative electrode plate for a lithium secondary battery is 800 to 3 to 20 to 1, preferably 160 to 1 to 80 to 3. Therefore, when the silicon (Si) alloy is mixed at a ratio of 8 wt%, the single-walled carbon nanotube (SWCNT) is used in a proportion of 0.03 wt% to 0.4 wt%, preferably 0.05 wt% to 0.3 wt% Lt; / RTI >
음극 활물질은 실리콘 (Si) 합금 이외에 흑연을 더 포함할 수 있다. 흑연은 음극 활물질로서 리튬 이온의 흡장 및 방출에 관여할 수 있다. 음극 활물질에 포함되는 실리콘 (Si) 합금에 대한 흑연의 비율은 특별하게 한정되지 아니하며, 구현 방법에 따라 실리콘 (Si) 합금과 흑연이 다양한 비율로 혼합될 수 있다.The negative electrode active material may further include graphite in addition to the silicon (Si) alloy. Graphite can be involved in the occlusion and release of lithium ions as a negative electrode active material. The ratio of graphite to silicon (Si) alloy contained in the negative electrode active material is not particularly limited, and silicon (Si) alloy and graphite may be mixed at various ratios depending on the implementation method.
리튬 이차 전지용 음극 극판은 선택적으로 0.01 내지 2 wt%의 증점제를 더 포함할 수 있다. 증점제는 리튬 이차 전지용 음극 극판을 구성하는 성분들의 점도를 증가시키는 역할을 수행할 수 있다. 증점제는 CMC (carboxymethyl cellulose) 계열의 증점제일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 아니한다.The negative electrode plate for a lithium secondary battery may further optionally contain 0.01 to 2 wt% of a thickener. The thickener may serve to increase the viscosity of components constituting the negative electrode plate for a lithium secondary battery. The thickener may be, but is not necessarily, a CMC (carboxymethyl cellulose) thickener.
리튬 이차 전지용 음극 극판은 선택적으로 0.01 내지 5 wt%의 도전제를 더 포함할 수 있다. 도전제는 리튬 이차 전지용 음극 극판의 전기 전도성을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다.The negative electrode plate for a lithium secondary battery may further optionally contain 0.01 to 5 wt% of a conductive agent. The conductive agent can improve the electrical conductivity of the negative electrode plate for a lithium secondary battery.
[실시예][Example]
이하 본 발명의 실시예를 하기 표 1 내지 3을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 표 1은 실시예 1의 리튬 이차 전지용 음극 극판과 비교예 1의 리튬 이차 전지용 음극 극판의 성분 비율을 비교하여 나타낸 표이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to Tables 1 to 3 below. Table 1 is a table showing the composition ratios of the negative electrode plate for a lithium secondary battery of Example 1 and the negative electrode plate for a lithium rechargeable battery of Comparative Example 1 in comparison.
표 2는 실시예 2의 리튬 이차 전지용 음극 극판과 비교예 2의 리튬 이차 전지용 음극 극판의 성분 비율을 비교하여 나타낸 표이다.Table 2 is a table showing the composition ratios of the negative electrode plate for a lithium secondary battery of Example 2 and the negative electrode plate for a lithium rechargeable battery of Comparative Example 2 in comparison.
표 3은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 리튬 이차 전지용 음극 극판에 대한 극판 용량, 활물질 용량 및 초기 효율을 나타낸 표이다.Table 3 is a table showing the electrode plate capacity, the active material capacity, and the initial efficiency for the negative electrode plate for a lithium secondary battery manufactured in Example 1 and Comparative Example 1.
SWCNT
SWCNT
SWCNT 의 비율For silicon alloy
Ratio of SWCNT
(mAh/g)Active material capacity
(mAh / g)
(mAh/g)Plate Capacity
(mAh / g)
실시예 1Example 1
본 발명의 음극 극판을 제조하는 방법은 특별하게 제한되지 않으며, 이 분야에서 일반적으로 공지되어 있는 다양한 음극 극판 제조 방법을 이용하여 제조될 수 있다. The method for manufacturing the negative electrode plate of the present invention is not particularly limited and may be manufactured by using various negative electrode plate manufacturing methods generally known in this field.
실시예 1-1에서는 Si50(Cu50Al50)45Fe5 의 조성을 가지는 실리콘 (Si) 합금을 제조한 이후에, 상기 실리콘 (Si) 합금을 8 wt%의 비율로, CMC 계열의 증점제를 1 wt%의 비율로, SBR 계열의 바인더를 2 wt%의 비율로, 흑연을 88.97wt%의 비율로 혼합하고, 0.03 wt%의 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 를 더 혼합하여, 리튬 이차 전지용 음극 극판을 제조하였다.In Example 1-1, a silicon (Si) alloy having a composition of Si 50 (Cu 50 Al 50 ) 45 Fe 5 was prepared. Then, the silicon (Si) alloy was mixed with 8 wt% of CMC series thickener 1 wt%, SBR type binder was mixed at a ratio of 2 wt%, graphite was mixed at a ratio of 88.97 wt%, 0.03 wt% single wall carbon nanotubes (SWCNT) were further mixed, A negative electrode plate was prepared.
실시예 1-2에서는 흑연은 88.95wt%, 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 는 0.05wt%, 나머지는 실시예 1-1과 동일하게 하여 리튬 이차 전지용 음극 극판을 제조하였다.In Example 1-2, a negative electrode plate for a lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1-1 except that the graphite was 88.95 wt%, the single-walled carbon nanotube (SWCNT) was 0.05 wt%.
실시예 1-3에서는 흑연은 88.90wt%, 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 는 0.10wt%, 나머지는 실시예 1-1과 동일하게 하여 리튬 이차 전지용 음극 극판을 제조하였다.In Example 1-3, a negative electrode plate for a lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1-1 except that the graphite was 88.90 wt%, the single wall carbon nanotube (SWCNT) was 0.10 wt%.
실시예 1-4에서는 흑연은 88.70wt%, 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 는 0.3wt%, 나머지는 실시예 1-1과 동일하게 하여 리튬 이차 전지용 음극 극판을 제조하였다.In Example 1-4, a negative electrode plate for a lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1-1 except that the graphite was 88.70 wt%, the single wall carbon nanotube (SWCNT) was 0.3 wt%.
실시예 2Example 2
실시예 2-1에서는 Si50(Cu50Al50)45Fe5 의 조성을 가지는 실리콘 (Si) 합금을 제조한 이후에, 상기 실리콘 (Si) 합금을 5.8 wt%의 비율로, CMC 계열의 증점제를 1 wt%의 비율로, SBR 계열의 바인더를 2 wt%의 비율로, 흑연을 91.17wt%의 비율로 혼합하고, 0.03 wt% 의 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 를 더 혼합하여 리튬 이차 전지용 음극 극판을 제조하였다.In Example 2-1, a silicon (Si) alloy having a composition of Si 50 (Cu 50 Al 50 ) 45 Fe 5 was produced, and then the silicon (Si) alloy was added in a proportion of 5.8 wt% 1 wt%, SBR type binder was mixed at a ratio of 2 wt%, graphite was mixed at a ratio of 91.17 wt%, 0.03 wt% single wall carbon nanotubes (SWCNT) were further mixed, and a cathode for a lithium secondary battery Electrode plate.
실시예 2-2에서는 흑연은 91.15wt%, 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 는 0.05wt%, 나머지는 실시예 2-1과 동일하게 하여 리튬 이차 전지용 음극 극판을 제조하였다.In Example 2-2, a negative electrode plate for a lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 2-1 except that graphite was 91.15 wt%, single walled carbon nanotube (SWCNT) was 0.05 wt%.
실시예 2-3에서는 흑연은 91.10wt%, 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 는 0.10wt%, 나머지는 실시예 2-1과 동일하게 하여 리튬 이차 전지용 음극 극판을 제조하였다.
In Example 2-3, a negative electrode plate for a lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 2-1 except that graphite was 91.10 wt%, single wall carbon nanotube (SWCNT) was 0.10 wt%.
비교예 1Comparative Example 1
비교예 1-1서는 Si50(Cu50Al50)45Fe5 의 조성을 가지는 실리콘 (Si) 합금을 제조하고, 상기 실리콘 (Si) 합금을 8 wt%의 비율로, CMC 계열의 증점제를 1 wt%의 비율로, SBR 계열의 바인더를 2 wt%의 비율로, 흑연을 89.00wt%의 비율로 혼합한 이후에, 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 를 전혀 혼합하지 않고 리튬 이차 전지용 음극 극판을 제조하였다.In Comparative Example 1-1, a silicon (Si) alloy having a composition of Si 50 (Cu 50 Al 50 ) 45 Fe 5 was prepared, and the silicon (Si) alloy was mixed with 8 wt% of CMC series thickener % Of the binder, 2 wt% of the binder of the SBR series, 89.00 wt% of the graphite, and then mixing the single wall carbon nanotubes (SWCNT) with each other to prepare a negative electrode plate for a lithium secondary battery Respectively.
비교예 1-2에서는 흑연은 89.99wt%, 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 는 0.01wt%, 나머지는 비교예 1-1과 동일하게 하여 리튬 이차 전지용 음극 극판을 제조하였다.In Comparative Example 1-2, a negative electrode plate for a lithium secondary battery was produced in the same manner as in Comparative Example 1-1 except that the graphite was 89.99 wt%, the single-walled carbon nanotube (SWCNT) was 0.01 wt%.
비교예 1-3에서는 흑연은 88.50wt%, 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 는 0.50wt%, 나머지는 비교예 1-1과 동일하게 하여 리튬 이차 전지용 음극 극판을 제조하였다.
In Comparative Example 1-3, a negative electrode plate for a lithium secondary battery was produced in the same manner as in Comparative Example 1-1 except that the graphite was 88.50 wt%, the single wall carbon nanotube (SWCNT) was 0.50 wt%.
비교예 2Comparative Example 2
비교예 2-1에서는 Si50(Cu50Al50)45Fe5 의 조성을 가지는 실리콘 (Si) 합금을 제조하고, 상기 실리콘 (Si) 합금을 5.8 wt%의 비율로, CMC 계열의 증점제를 1 wt%의 비율로, SBR 계열의 바인더를 2 wt%의 비율로, 흑연을 91.20wt%의 비율로 혼합한 이후에, 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 를 전혀 혼합하지 않고, 리튬 이차 전지용 음극 극판을 제조하였다.In the comparative example 2-1, a silicon (Si) alloy having a composition of Si 50 (Cu 50 Al 50 ) 45 Fe 5 was prepared, and the silicon (Si) alloy was added at a ratio of 5.8 wt% % Of graphite was mixed at a ratio of 2 wt% and graphite in a ratio of 91.20 wt%, then the single-walled carbon nanotube (SWCNT) was not mixed at all, and the negative electrode plate for a lithium secondary battery .
비교예 2-2에서는 흑연은 91.19wt%, 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) 는 0.01wt%, 나머지는 비교예 2-1과 동일하게 하여 리튬 이차 전지용 음극 극판을 제조하였다.
In Comparative Example 2-2, a negative electrode plate for a lithium secondary battery was produced in the same manner as in Comparative Example 2-1 except that the graphite was 91.19 wt%, the single-walled carbon nanotube (SWCNT) was 0.01 wt%.
본 발명의 상시 실시예 및 비교예의 음극 극판은 집전체에 도포하고 통상적인 공정에 의하여 음극 극판을 제조한다.
The negative electrode plate of the present invention and the comparative example of the present invention is applied to a current collector and a negative electrode plate is manufactured by a conventional process.
1. 극판 용량 및 초기 효율1. Plate Capacity and Initial Efficiency
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 리튬 이차 전지용 음극 극판에 대한 충방전 평가를 실시하였다. 구체적으로, 코인 형상으로 제조된 음극 극판에 대하여 충방전을 1회 실시한 후 극판 용량 (mAh/g), 활물질 용량 (mAh/g; 극판 용량을 음극 활물질의 첨가 비율로 나눈 용량) 및 초기 효율 (%) 을 측정하였으며, 그 결과를 도 3에 도시하였다.The negative electrode plate for lithium secondary battery manufactured in Example 1 and Comparative Example 1 was subjected to charge / discharge evaluation. Specifically, the negative electrode plate prepared in the form of a coin was subjected to charging and discharging once, and the electrode plate capacity (mAh / g), the active material capacity (mAh / g; capacity obtained by dividing the electrode plate capacity by the addition ratio of the negative electrode active material) %). The results are shown in Fig.
표 3을 참조하면, 실시예 1-1의 리튬 이차 전지용 음극 극판 (실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 800 대 3인 음극 극판) 이 비교예 1-1 및 1-2의 리튬 이차 전지용 음극 극판 (SWCNT 를 첨가하지 않은 음극 극판 및 실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 800 대 1인 음극 극판) 에 비해 우수한 극판 용량 및 효율을 나타냄을 알 수 있다. 이러한 사실로부터, 실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 적어도 800 대 3은 되도록, SWCNT 가 첨가되어야 극판 용량 및 효율이 향상됨을 알 수 있다. 또한, 실시예 1-2, 1-3 및 1-4의 리튬 이차 전지용 음극 극판이 공통적으로 우수한 극판 용량 및 초기 효율을 나타냄을 알 수 있다.Referring to Table 3, the negative electrode plate for a lithium secondary battery of Example 1-1 (a negative electrode plate having a SWCNT ratio of 800: 3 to a silicon (Si) alloy) was used for the lithium secondary batteries of Comparative Examples 1-1 and 1-2 It can be seen that the electrode plate and the efficiency are superior to those of the negative electrode plate (cathode plate with SWCNT ratio of 800 to 1 for negative electrode plate and silicon (Si) alloy without SWCNT). From this fact, it can be seen that the addition of SWCNT improves the electrode plate capacity and efficiency so that the ratio of SWCNT to silicon (Si) alloy is at least 800 to 3. In addition, it can be seen that the negative electrode plates for lithium secondary batteries of Examples 1-2, 1-3 and 1-4 exhibit excellent electrode plate capacity and initial efficiency in common.
표 3을 더 참조하면, 실시예 1-4의 리튬 이차 전지용 음극 극판 (실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 80 대 3인 음극 극판) 과 비교하여 비교예 1-3의 리튬 이차 전지용 음극 극판 (실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 16 대 1인 음극 극판) 의 극판 용량 및 초기 효율이 저하되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 사실로부터, 실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 대략 20 대 1을 넘어가는 경우, 극판 용량 및 효율이 오히려 저하됨을 알 수 있다. 이론에 의해 제한되는 것은 아니나, 실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 대략 20 대 1을 넘어가는 경우, 음극 극판을 구성하는 성분들의 비가역성이 증가되어 극판 용량 및 효율이 저하되는 것으로 보인다.As shown in Table 3, in comparison with the negative electrode plate for a lithium secondary battery of Example 1-4 (a negative electrode plate having a SWCNT ratio of 80: 3 to a silicon (Si) alloy) of Comparative Example 1-3, It can be confirmed that the electrode plate capacity and initial efficiency of the electrode plate (anode electrode plate having a ratio of SWCNT to silicon (Si) alloy of 16 to 1) are lowered. From this fact, it can be seen that when the ratio of SWCNT to silicon (Si) alloy exceeds approximately 20 to 1, the electrode plate capacity and efficiency are rather lowered. Without being bound by theory, it is believed that when the ratio of SWCNT to silicon (Si) alloy exceeds approximately 20: 1, the irreversibility of the constituents of the negative electrode plate is increased and the electrode plate capacity and efficiency are reduced.
표 3에 개시된 수치들로부터, 실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 적어도 800 대 3 내지 20 대 1, 바람직하게는 160 대 1 내지 80 대 3이 되어야, 리튬 이차 전지용 음극 극판의 용량 및 초기 효율이 향상될 수 있음을 알 수 있다.
From the values set forth in Table 3, the ratio of the SWCNT to the silicon (Si) alloy should be at least 800 to 3 to 20 to 1, preferably 160 to 1 to 80 to 3, so that the capacity of the negative electrode plate for lithium secondary batteries and the initial It can be seen that the efficiency can be improved.
2. 사이클 수명 특성2. Cycle life characteristics
실시예 1 및 2, 비교예 1 및 2에서 제조된 리튬 이차 전지용 음극 극판에 대한 사이클 수명 특성을 측정하였다. 구체적으로, 실시예 1 및 2, 비교예 1 및 2에서 제조된 코인 형상의 리튬 이차 전지용 음극 극판에 대해 0.5C으로 충방전을 50회 반복하여 사이클 수명 특성을 측정하였다. 상기에서 충방전 방식은, 이 분야에서 일반적으로 공지되어 있는 리튬 이차 전지용 활물질에 대한 충방전 방식에 준하여 수행하였다. 그 결과가 도 1a 내지 1c, 그리고 도 2a 내지 2c에 도시되어 있다.The cycle life characteristics of the negative electrode plates for lithium secondary batteries manufactured in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were measured. Specifically, the negative electrode plate for a coin-shaped lithium secondary battery manufactured in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 was repeatedly charged and discharged 50 times at 0.5 C to measure the cycle life characteristics. The charge-discharge method was performed in accordance with a charging / discharging method for a lithium secondary battery active material generally known in the art. The results are shown in Figs. 1a to 1c and 2a to 2c.
구체적으로, 도 1a에는 실시예 1-1 및 1-2, 비교예 1-2의 음극 극판에 대한 수명 특성이, 도 1b에는 실시예 1-3 및 1-4, 비교예 1-3의 음극 극판에 대한 수명 특성이, 도 1c에는 비교예 1-1의 음극 극판에 대한 수명 특성이 도시되어 있다. 또한, 도 2a에는 실시예 2-1의 음극 극판에 대한 수명 특성이, 도 2b에는 실시예 2-2 및 2-3, 비교예 2-2의 음극 극판에 대한 수명 특성이, 도 2c에는 비교예 2-1의 음극 극판에 대한 수명 특성이 도시되어 있다.Specifically, FIG. 1A shows the lifetime characteristics of the negative electrode plates of Examples 1-1 and 1-2 and Comparative Example 1-2, FIG. 1B shows the lifetime characteristics of the negative electrodes of Examples 1-3 and 1-4 and Comparative Example 1-3, Fig. 1C shows lifetime characteristics for the negative electrode plate of Comparative Example 1-1. FIG. 2B shows the lifetime characteristics of the negative electrode plates of Examples 2-2 and 2-3 and Comparative Example 2-2, FIG. 2C shows the lifetime characteristics of the negative electrode plates of Comparative Example 2-2, The lifetime characteristics of the negative electrode plate of Example 2-1 are shown.
도 1a 내지 1c를 참조하면, 비교예 1-1의 음극 극판 (SWCNT 를 첨가하지 않은 음극 극판) 과 비교예 1-2의 음극 극판 (실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 800 대 1인 음극 극판) 의 수명 특성은 서로 거의 차이가 없으나, 실시예 1-1의 음극 극판 (실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 800 대 3인 음극 극판) 은 50회 충방전 후에도 용량의 차이가 거의 없어 수명 특성이 비교예 1-1 및 1-2의 음극 극판에 비해 상당히 개선되었음을 알 수 있다. 또한, 실시예 1-2, 1-3 및 1-4의 음극 극판 (실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 800 대 3 내지 80 대 3인 음극 극판) 이 공통적으로 우수한 수명 특성을 나타냄을 알 수 있다.
1A to 1C, a negative electrode plate (negative electrode plate without SWCNT added) of Comparative Example 1-1 and a negative electrode plate (SWCNT to silicon (Si) alloy of Comparative Example 1-2) (Anode electrode plate having a ratio of SWCNT of 800: 3 to silicon (Si) alloy) of Example 1-1 had a difference in capacity even after 50 charge / discharge cycles It can be seen that the life characteristics are significantly improved as compared with the negative electrode plates of Comparative Examples 1-1 and 1-2. In addition, the negative electrode plates of Examples 1-2, 1-3 and 1-4 (negative electrode plates having a ratio of SWCNT to silicon (Si) alloy of 800: 3 to 80: 3) exhibit excellent life characteristics in common Able to know.
한편, 도 1b를 참조하면, 비교예 1-3의 음극 극판 (실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 16 대 1인 음극 극판) 역시 우수한 수명 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.On the other hand, referring to FIG. 1B, it can be seen that the negative electrode plate of Comparative Example 1-3 (negative electrode plate having a ratio of SWCNT to silicon (Si) alloy of 16 to 1) exhibits excellent lifetime characteristics.
도 2a 내지 2c를 참조하면, 비교예 2-1의 음극 극판 (SWCNT 를 첨가하지 않은 음극 극판) 과 비교예 2-2의 음극 극판 (실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 580 대 1인 음극 극판) 의 수명 특성은 서로 거의 차이가 없으나, 실시예 2-1의 음극 극판 (실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 580 대 3인 음극 극판) 은 50회 충방전 후에도 용량의 차이가 거의 없어 수명 특성이 비교예 2-1 및 2-2의 음극 극판에 비해 상당히 개선되었음을 알 수 있다. 또한, 실시예 2-2 및 2-3의 음극 극판 (실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 116 대 1 내지 58 대 1인 음극 극판) 이 공통적으로 우수한 수명 특성을 나타냄을 알 수 있다.
2A to 2C, the negative electrode plate (the negative electrode plate without SWCNT added) of Comparative Example 2-1 and the negative electrode plate (the ratio of the SWCNT to the silicon (Si) alloy of Comparative Example 2-2) (Cathode electrode plate having a ratio of SWCNT to silicon (Si) alloy of 580 to 3) of Example 2-1 had a difference in capacity even after 50 charge / discharge cycles It can be seen that the life characteristics are significantly improved as compared with the negative electrode plates of Comparative Examples 2-1 and 2-2. Further, it can be seen that the negative electrode plate (negative electrode plate having a ratio of SWCNT to silicon (Si) alloy of 116: 1 to 58: 1) of Examples 2-2 and 2-3 exhibits excellent life characteristics in common.
도 1 및 도 2에 개시된 수치들로부터, 실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 적어도 800 대 3 이상, 바람직하게는 160 대 1 이상이 되어야, 리튬 이차 전지용 음극 극판의 수명 특성이 향상됨을 알 수 있다.
From the figures disclosed in Figs. 1 and 2, the lifetime characteristics of the negative electrode plate for a lithium secondary battery are improved when the ratio of the SWCNT to the silicon (Si) alloy is at least 800: 3 or more, and preferably 160: .
위와 같은 극판 용량, 초기 효율 및 수명 특성에 대한 데이터를 분석한 결과, 실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 적어도 800 대 3 내지 20 대 1, 바람직하게는 160 대 1 내지 80 대 3이 되어야, 리튬 이차 전지용 음극 극판의 용량, 초기 효율 및 수명 특성 모두가 향상됨을 알 수 있다 (비록 실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율이 20 대 1 이상이 되어도 수명 특성은 개선될 수 있지만, 용량 및 초기 효율은 저하되므로, 실리콘 (Si) 합금에 대한 SWCNT 의 비율은 20 대 1 이하인 것이 바람직하다고 볼 수 있다).Analysis of the data on the above electrode plate capacity, initial efficiency and lifetime characteristics showed that the ratio of SWCNT to silicon (Si) alloy should be at least 800 to 3 to 20 to 1, preferably 160 to 1 to 80 to 3 , And the capacity, initial efficiency and lifetime characteristics of the negative electrode plate for a lithium secondary battery are all improved. Although the life characteristics can be improved even when the ratio of SWCNT to silicon (Si) alloy is 20 to 1 or more, It is preferable that the ratio of SWCNT to silicon (Si) alloy is 20 to 1 or less, since the initial efficiency is lowered).
이상으로 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the scope of the present invention but to limit the scope of the technical idea of the present invention. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
Claims (9)
단일벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) ;
바인더; 및
증점제를 포함하되,
상기 상기 실리콘 (Si) 합금에 대한 상기 단일벽 탄소 나노 튜브(SWCNT) 의 비율은 160 대 1 내지 80 대 3을 유지하고, 상기 SWCNT 분산액은 0.05wt%~0.3wt%로 포함되는 음극 극판을 포함하는 리튬 이차전지.An anode active material comprising 5.8 wt% to 8 wt% silicon (Si) alloy and 88.70 wt% to 91.17 wt% graphite;
Single-walled carbon nanotubes (SWCNT);
bookbinder; And
Thickeners,
The ratio of the single-walled carbon nanotube (SWCNT) to the silicon (Si) alloy is maintained at 160: 1 to 80: 3, and the SWCNT dispersion And 0.05 wt% to 0.3 wt% of the negative electrode plate.
상기 실리콘 (Si) 합금에 실리콘 (Si) 은 40 wt% 내지 70 wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 1,
Wherein the silicon (Si) alloy contains 40 wt% to 70 wt% of silicon (Si).
상기 실리콘 (Si) 합금은 Si50(Cu50Al50)45Fe5 의 조성을 가지는 리튬 이차전지.The method of claim 3,
Wherein the silicon (Si) alloy has a composition of Si 50 (Cu 50 Al 50 ) 45 Fe 5 .
상기 바인더는 SBR계열의 바인더로 1 내지 10 wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 1,
Wherein the binder is contained in an amount of 1 to 10 wt% in an SBR-based binder.
상기 바인더는 2 wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.6. The method of claim 5,
And the binder is contained in an amount of 2 wt%.
상기 증점제는 CMC계열의 증점제로 0.01 내지 2 wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 1,
Wherein the thickener is contained in an amount of 0.01 to 2 wt% as a CMC series thickener.
상기 증점제는 1 wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.8. The method of claim 7,
Wherein the thickener is contained in an amount of 1 wt%.
상기 음극 극판은 0.01 내지 5 wt%의 도전제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
The method according to claim 1,
Wherein the negative electrode plate further comprises 0.01 to 5 wt% of a conductive agent.
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