KR102233337B1 - Secondary battery - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 양극(cathode); 양극과 이격되어 배치되는 음극(anode); 및 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막를 포함하고, 양극은 제1집전체와 제1집전체의 표면에 형성되는 양극활물질 전극층을 포함하며, 음극은 제2집전체와 제2집전체의 표면에 형성되는 음극활물질 전극층과 제2집전체와 음극활물질 전극층의 사이에 형성되는 버퍼층을 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a secondary battery, comprising: a cathode; A cathode disposed to be spaced apart from the anode; And a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the positive electrode includes a positive electrode active material electrode layer formed on the surfaces of the first current collector and the first current collector, and the negative electrode is formed on the surfaces of the second current collector and the second current collector. And a buffer layer formed between the negative electrode active material electrode layer and the second current collector and the negative electrode active material electrode layer.
Description
본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 특히 SiOx(0.1<x<2.0)와 도전제로 형성되는 음극에 다수개의 버퍼 공간을 갖는 버퍼층을 형성하여 SiOx(0.1<x<2.0)가 리튬과 반응하여 부피가 팽창하는 경우에 다수개의 버퍼 공간으로 팽창하도록 버퍼 공간을 제공함으로써 SiOx(0.1<x<2.0)가 부피 팽창으로 인한 압력으로 미분화되는 것을 방지할 수 있어 음극활물질로 SiOx(0.1<x<2.0)가 적용된 이차 전지의 사이클 특성을 개선시킬 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery, and in particular, by forming a buffer layer having a plurality of buffer spaces on a negative electrode formed of SiOx (0.1<x<2.0) and a conductive agent, SiOx (0.1<x<2.0) reacts with lithium, resulting in a By providing a buffer space to expand into a plurality of buffer spaces in case of expansion, SiOx (0.1<x<2.0) can be prevented from being micronized under pressure due to volume expansion.SiOx (0.1<x<2.0) is used as a negative electrode active material. It relates to a secondary battery capable of improving the cycle characteristics of the applied secondary battery.
리튬이온 이차전지는 충전시에는 양극으로부터 리튬이 이온으로서 용출하여 음극으로 이동하여 흡장되고, 방전시에는 반대로 음극으로부터 양극으로 리튬 이온이 되돌아가는 구조의 2차 전지인데, 높은 에너지 밀도는 양극 활물질의 전위에 기인한다. 이러한 리튬이온 이차전지에 관련된 기술이 한국등록특허공보 제10-1463880호에 공개되어 있다. Lithium ion secondary batteries are secondary batteries with a structure in which lithium is eluted as ions from the positive electrode and moved to the negative electrode during charging, and lithium ions are returned from the negative electrode to the positive electrode during discharge. Caused by electric potential. A technology related to such a lithium ion secondary battery is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-1463880.
한국등록특허공보 제10-1463880호는 리튬 전지용 양극 활물질 재료로서 사용하는 스피넬형 리튬망간계 복합 산화물(LMO: LiMn2O4는)에 관한 것으로, 리튬 전지용 양극 활물질 재료는 결정자 사이즈가 250㎚ 내지 350㎚이며, 변형이 0.085 이하이며, 25℃, pH7의 물에 넣고 초음파 강도 40 W(watt)로 600초간 초음파 분산시켰을 경우의 비표면적 증가율이 10.0% 이하인 것이 사용된다. Korean Patent Publication No. 10-1463880 relates to a spinel-type lithium manganese composite oxide (LMO: LiMn 2 O 4 ) used as a positive electrode active material for a lithium battery, and the positive electrode active material material for a lithium battery has a crystallite size of 250 nm or less. It is 350 nm, the strain is 0.085 or less, and the specific surface area increase rate of 10.0% or less when it is ultrasonically dispersed for 600 seconds with an ultrasonic intensity of 40 W (watt) in water at 25° C. and pH 7 is used.
한국등록특허공보 제10-1463880호에 공개된 리튬이온 이차전지는 보다 높은 고용량을 위해 음극 활물질로 큰 이론 용량을 갖는 SiOx(0.1<x<2.0)이 제안되고 있으나 충방전을 반복하는 경우에 SiOx는 리튬과 반응하여 부피가 팽창하게 되고 이로 인해 균열이 발생되어 미분화될 수 있어 충분한 사이클 특성을 얻을 수 없는 문제점이 있다. In the lithium ion secondary battery disclosed in Korean Patent Publication No. 10-1463880, SiOx (0.1<x<2.0) having a large theoretical capacity as a negative electrode active material is proposed for higher capacity, but when charging and discharging are repeated, SiOx There is a problem in that the volume expands by reacting with lithium, which may cause cracks to be pulverized, so that sufficient cycle characteristics cannot be obtained.
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, SiOx(0.1<x<2.0)와 도전제로 형성되는 음극에 다수개의 버퍼 공간을 갖는 버퍼층을 형성하여 SiOx(0.1<x<2.0)가 리튬과 반응하여 부피가 팽창하는 경우에 다수개의 버퍼 공간으로 팽창하도록 버퍼 공간을 제공함으로써 SiOx(0.1<x<2.0)가 부피 팽창으로 인한 압력으로 미분화되는 것을 방지할 수 있어 음극활물질로 SiOx(0.1<x<2.0)가 적용된 이차 전지의 사이클 특성을 개선시킬 수 있는 이차 전지를 제공함에 있다.An object of the present invention is to solve the above-described problem, by forming a buffer layer having a plurality of buffer spaces on a negative electrode formed of SiOx (0.1<x<2.0) and a conductive material, SiOx (0.1<x<2.0) By providing a buffer space to expand into a plurality of buffer spaces when the volume expands due to reaction, SiOx (0.1<x<2.0) can be prevented from being micronized under pressure due to volume expansion, so that SiOx (0.1<x) is used as a negative electrode active material. It is to provide a secondary battery that can improve the cycle characteristics of the secondary battery to which <2.0) is applied.
본 발명의 이차 전지는 양극(cathode); 상기 양극과 이격되어 배치되는 음극(anode); 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 분리막를 포함하고, 상기 양극은 제1집전체와 상기 제1집전체의 표면에 형성되는 양극활물질 전극층을 포함하며, 상기 음극은 제2집전체와 상기 제2집전체의 표면에 형성되는 음극활물질 전극층과 상기 제2집전체와 상기 음극활물질 전극층의 사이에 형성되는 버퍼층을 포함하며, 상기 양극활물질 전극층의 재질은 LCO(LiCoO2), NCM111(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2), NCM622(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2), NCM811(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2), LMO(LiMn2O4) 및 LNMO(LiNi0.5Mn1.5O4) 중 하나가 선택되어 형성되고, 상기 음극활물질 전극층의 재질은 도전제와 SiOx(0.1<x<2.0)를 혼합하여 사용되며, 상기 버퍼층의 재질은 활성탄과 도전제로 형성되는 것을 특징으로 한다. The secondary battery of the present invention includes a cathode; A cathode disposed to be spaced apart from the anode; And a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the positive electrode includes a first current collector and a positive electrode active material electrode layer formed on a surface of the first current collector, and the negative electrode includes a second current collector and the second A negative electrode active material electrode layer formed on the surface of the current collector, and a buffer layer formed between the second current collector and the negative electrode active material electrode layer, and the material of the positive electrode active material electrode layer is LCO (LiCoO 2 ), NCM111 (LiNi 1/3). Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ), NCM622 (LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 ), NCM811 (LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 ), LMO (LiMn 2 O 4 ) and LNMO (LiNi 0.5 Mn 1.5) O 4 ) is selected and formed, the material of the negative electrode active material electrode layer is used by mixing a conductive agent and SiOx (0.1<x<2.0), and the material of the buffer layer is formed of activated carbon and a conductive material. .
본 발명의 이차 전지는 SiOx(0.1<x<2.0)와 도전제로 형성되는 음극에 다수개의 버퍼 공간을 갖는 버퍼층을 형성하여 iOx(0.1<x<2.0)와 도전제로 형성되는 음극에 다수개의 버퍼 공간을 갖는 버퍼층을 형성하여 SiOx(0.1<x<2.0)가 리튬과 반응하여 부피가 팽창하는 경우에 다수개의 버퍼 공간으로 팽창하도록 버퍼 공간을 제공함으로써 SiOx(0.1<x<2.0)가 부피 팽창으로 인한 압력으로 미분화되는 것을 방지할 수 있어 음극활물질로 SiOx(0.1<x<2.0)가 적용된 이차 전지의 사이클 특성을 개선시킬 수 있는 이점이 있다.In the secondary battery of the present invention, a buffer layer having a plurality of buffer spaces is formed on a negative electrode formed of SiOx (0.1<x<2.0) and a conductive material, and a plurality of buffer spaces are formed on the negative electrode formed of iOx (0.1<x<2.0) and a conductive material. By forming a buffer layer having SiOx (0.1<x<2.0), SiOx (0.1<x<2.0) is caused by volume expansion by providing a buffer space to expand into a plurality of buffer spaces when the volume expands due to reaction of SiOx (0.1<x<2.0) with lithium. Micronization under pressure can be prevented, so there is an advantage of improving the cycle characteristics of a secondary battery to which SiOx (0.1<x<2.0) is applied as a negative electrode active material.
도 1은 본 발명의 이차 전지의 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 음극의 일실시예를 나타낸 확대 단면도,
도 3은 도 1에 도시된 음극의 다른 실시예를 나타낸 확대 단면도,
도 4는 도 1에 도시된 음극의 또 다른 실시예를 나타낸 확대 단면도.1 is a cross-sectional view of a secondary battery of the present invention,
2 is an enlarged cross-sectional view showing an embodiment of the negative electrode shown in FIG. 1;
3 is an enlarged cross-sectional view showing another embodiment of the negative electrode shown in FIG. 1;
Figure 4 is an enlarged cross-sectional view showing another embodiment of the negative electrode shown in Figure 1;
이하, 본 발명의 이차 전지의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of a secondary battery of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1 및 도 2에서와 같이 본 발명의 이차 전지는 양극(cathode)(10), 음극(anode)(20), 분리막(30), 전해액(40) 및 케이스(50)를 포함하여 구성된다. 1 and 2, the secondary battery of the present invention includes a cathode 10, an
양극(cathode)(10)은 케이스(50)의 내측에 배치되며, 음극(anode)(20)은 양극(10)과 이격되어 배치된다. 분리막(30)은 양극(10)과 음극(20) 사이에 배치되며, 전해액(40)은 양극(10)과 음극(20)에 함침된 상태로 케이스(50)의 내측에 위치되며 케이스(50)는 본 발명의 이차 전지를 전반적으로 지지한다. 여기서, 양극(10)은 제1집전체(11)와 제1집전체(11)의 표면에 형성되는 양극활물질 전극층(12)을 포함하며, 양극활물질 전극층(12)의 재질은 LCO(LiCoO2), NCM111(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2), NCM622(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2), NCM811(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2), LMO(LiMn2O4) 및 LNMO(LiNi0.5Mn1.5O4) 중 하나가 선택되어 형성된다. 음극(20)은 제2집전체(21)와 제2집전체(21)의 표면에 형성되는 음극활물질 전극층(22)과 제2집전체(21)와 음극활물질 전극층(22)의 사이에 형성되는 버퍼층(23)을 포함하며, 음극활물질 전극층(22)의 재질은 SiOx(0.1<x<2.0)가 사용되며, 버퍼층(23)의 재질은 활성탄(23a)과 도전제(23b)로 형성된다.The anode 10 is disposed inside the
본 발명의 이차 전지의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다. The configuration of the secondary battery of the present invention will be described in detail as follows.
양극(cathode)(10)은 도 1에서와 같이 케이스(50)의 내측에 배치되며, 제1집전체(11)와 양극활물질 전극층(12)을 포함하여 구성된다. The cathode 10 is disposed inside the
제1집전체(11)는 양극활물질 전극층(12)을 전반적으로 지지하며, 재질은 Al, Cu 및 Ni 중 하나를 선택하여 사용하거나 둘 이상을 혼합하여 사용된다. 양극활물질 전극층(12)은 제1집전체(11)의 표면에 형성되며, 재질은 LCO(LiCoO2), NCM111(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2), NCM622(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2), NCM811(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2), LMO(LiMn2O4) 및 LNMO(LiNi0.5Mn1.5O4) 중 하나가 선택되어 형성된다. 이러한 양극활물질 전극층(12)의 제조방법은 LCO(LiCoO2), NCM111(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2), NCM622(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2), NCM811(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2), LMO(LiMn2O4) 및 LNMO(LiNi0.5Mn1.5O4) 중 하나, 바인더 및 도전제를 혼합한 후 제1집전체(11)의 표면에 도포하여 형성한다. 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 CMC(carboxymethylcellulose) 중 하나를 선택하여 사용하였으며, 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나를 선택하여 사용하였다. The first
음극(anode)(20)은 도 1 및 도 2에서와 같이 케이스(50)의 내측에서 양극(10)과 이격되어 배치되며, 제2집전체(21), 음극활물질 전극층(22) 및 버퍼층(23)을 포함하여 구성된다. As shown in FIGS. 1 and 2, the
제2집전체(21)는 음극활물질 전극층(22)과 버퍼층(23)을 전반적으로 지지하며, 재질은 Al, Cu 및 Ni 중 하나를 선택하여 사용하거나 둘 이상을 혼합하여 사용된다.The second
음극활물질 전극층(22)은 제2집전체(21)의 표면에 형성되며, 재질은 도전제와 SiOx(0.1<x<2.0)를 혼합하여 형성된다. 즉, 음극활물질 전극층(22)은 도전제와 SiOx(0.1<x<2.0)를 혼합한 후 제1집전체(11)의 표면에 도포하여 형성한다. 여기서, 음극활물질 전극층(22)은 도전제 85 내지 90wt%와 SiOx(0.1<x<2.0) 10 내지 15wt%로 혼합되어 형성되며, 도전제는 그래파이트(graphite), 하드 카본(hard carbon), 소프트 카본(soft carbon) 및 그래핀(graphene) 중 하나가 사용된다. The negative electrode active
버퍼층(23)은 제2집전체(21)와 음극활물질 전극층(22)의 사이에 형성되며, 재질은 활성탄(23a)과 도전제(23b)로 형성된다. 이러한 버퍼층(23)은 활성탄(23a) 85 내지 95wt%와 도전제(23b) 5 내지 15wt%가 되도록 형성되며, 도전제(23b)는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나를 선택하여 사용된다. 즉, 버퍼층(23)은 활성탄(23a)과 도전제(23b)를 각각 스크린 인쇄법(Screening Printing)이나 그라비아 인쇄법(Gravure Printing)을 이용해 다수개의 버퍼 공간(23c)을 갖도록 형성된다. 예를 들어, 버퍼층(23)은 평균입경(D1)이 3 내지 20㎛인 활성탄(23a)과 평균입경(D2)이 10 내지 40㎚인 도전제(23b)를 스크린 인쇄법이나 그라비아 인쇄법을 이용해 형성하는 과정 중에 다수개의 버퍼 공간(23c)을 갖도록 형성한다. 이러한 음극활물질 전극층(22)은 SiOx(0.1<x<2.0), 바인더 및 도전제를 혼합한 후 제1집전체(11)의 표면에 도포하여 형성한다. 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 CMC(carboxymethylcellulose) 중 하나를 선택하여 사용하였으며, 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나를 선택하여 사용하였다. The
버퍼층(23)은 활성탄(23a)과 도전제(23b)를 각각 스크린 인쇄법(Screening Printing)이나 그라비아 인쇄법(Gravure Printing)을 이용해 다수개의 버퍼 공간(23c)을 갖도록 형성된다. 예를 들어, 버퍼층(23)은 도 2에서와 같이 평균입경(D1)이 3 내지 20㎛인 활성탄(23a)을 스크린 인쇄법이나 그라비아 인쇄법을 이용해 형성한 후 활성탄(23a)보다 평균입경(D2)이 10 내지 40㎚로 작은 도전제(23b)를 스크린 인쇄법이나 그라비아 인쇄법을 이용해 활성탄(23a)과 활성탄(23a) 사이를 채움과 아울러 다수개의 버퍼 공간(23c)이 형성되도록 한다. The
다수개의 버퍼 공간(23c)의 평균입경(D3)은 음극활물질 전극층(22)으로 사용되는 SiOx(0.1<x<2.0)나 도전제의 평균입경(도시 않음)보다 작게 형성함으로써 음극활물질 전극층(22)의 형성으로 인해 다수개의 버퍼 공간(23c)이 축소되는 것을 방지하거나, SiOx(0.1<x<2.0), 바인더 및 도전제를 혼합시 점도를 10000 내지 50000 CPS(Centipoise)로 높게 혼합하여 SiOx(0.1<x<2.0)나 도전제가 다수개의 버퍼 공간(23c)으로 침투하여 다수개의 버퍼 공간(23c)이 축소되는 것을 방지한다.The average particle diameter (D3) of the plurality of
음극(20)의 다른 실시예는 도 3 및 도 4에서와 같이 제2집전체(21)의 표면에 둘 이상의 음극활물질 전극층(22)을 형성하고, 제2집전체(21)와 음극활물질 전극층(22)사이나 둘 이상의 음극활물질 전극층(22) 사이에 버퍼층(23)을 형성한다. 예를 들어, 음극(20)의 다른 실시예는 도 3에서와 같이 제2집전체(21)의 표면에 두개의 음극활물질 전극층(22)을 형성한 후 두개의 음극활물질 전극층(22) 사이에 다수개의 버퍼 공간(23c)을 갖는 버퍼층(23)을 형성한다. 음극(20)의 또 다른 실시예는 도 4에서와 같이 제2집전체(21)와 음극활물질 전극층(22)사이와 두개의 음극활물질 전극층(22) 사이에 각각 다수개의 버퍼 공간(23c)을 갖는 버퍼층(23)을 형성한다. 도 3 및 도 4에 각각 도시된 음극(20)에 적용된 제2집전체(21), 음극활물질 전극층(22) 및 버퍼층(23)의 재질이나 제조방법은 도 2에 도시된 음극(20)과 동일하게 적용됨으로 상세한 설명을 생략한다. In another embodiment of the
분리막(30)은 도 1에서와 같이 케이스(50)의 내측에서 분리막(30)은 양극(10)과 음극(20) 사이에 위치되도록 배치되어 양극(10)과 음극(20)이 서로 물리적으로 접촉되는 것을 방지하며, 재질은 공지된 이차 전지에 적용되는 재질이 사용된다. The
전해액(40)은 도 1에서와 같이 이차 전지에 포함되며, 유기용매, 염 및 첨가제를 혼합하여 사용함으로써 본 발명의 이차 전지에 적용될 수 있도록 한다.The
유기용매는 Acetonitrile(ACN), Ethylene carbonate(EC), Propylene carbonate(PC), Dimethyl carbonate(DMC), Diethyl carbonate(DEC), Ethylmethyl carbonate(EMC), 1,2-dimethoxyethane(DME), γ-buthrolactone(GBL), Methyl formate(MF), Methyl propionate(MP) 중 셋 이상을 선택한 후 혼합하여 사용된다. 여기서, 유기용매는 Acetonitrile(ACN), Ethylene carbonate(EC), Propylene carbonate(PC), Dimethyl carbonate(DMC), Diethyl carbonate(DEC), Ethylmethyl carbonate(EMC), 1,2-dimethoxyethane(DME), γ-buthrolactone(GBL), Methyl formate(MF), Methyl propionate(MP) 중 선택된 셋 이상의 유기용매가 각각 동일한 wt%의 비율로 혼합되하여 사용된다. Organic solvents are Acetonitrile (ACN), Ethylene carbonate (EC), Propylene carbonate (PC), Dimethyl carbonate (DMC), Diethyl carbonate (DEC), Ethylmethyl carbonate (EMC), 1,2-dimethoxyethane (DME), γ-buthrolactone (GBL), Methyl formate (MF), and Methyl propionate (MP) are used after selecting three or more. Here, the organic solvent is Acetonitrile (ACN), Ethylene carbonate (EC), Propylene carbonate (PC), Dimethyl carbonate (DMC), Diethyl carbonate (DEC), Ethylmethyl carbonate (EMC), 1,2-dimethoxyethane (DME), γ -Three or more organic solvents selected from buthrolactone (GBL), methyl formate (MF), and methyl propionate (MP) are mixed in the same wt% ratio and used.
염은 리튬염과 비리튬염을 혼합하여 사용하며, 리튬염은 LiBF4, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiC(SO2CF3)3, LiBOB(LiBOB : Lithium bis(oxalato)borate) 중 하나 이상 선택하여 사용된다. 비리튬염은 TEABF4(Tetraethylammonium tetrafluoroborate), TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluorborate) 및 SBPBF4(spiro-(1,1′)-bipyrrolidium tetrafluoroborate) 중 하나 이상 선택하여 사용된다. 염에 포함되는 리튬염은 0.8 내지 2M(molarity)인 것을 사용하며, 비리튬염은 0.1 내지 0.5M(molarity)인 것이 사용된다. The salt is used by mixing a lithium salt and a non-lithium salt, and the lithium salt is LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiAlCl 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN(SO 2 CF3)2, LiC(SO2CF3)3 , LiBOB (LiBOB: Lithium bis(oxalato)borate). The non-lithium salt is used by selecting one or more of TEABF4 (tetraethylammonium tetrafluoroborate), TEMABF4 (triethylmethylammonium tetrafluorborate), and SBPBF4 (spiro-(1,1′)-bipyrrolidium tetrafluoroborate). The lithium salt contained in the salt is 0.8 to 2M (molarity), and the non-lithium salt is 0.1 to 0.5M (molarity).
첨가제는 VC(Vinylene Carbonate), VEC(Vinyl ethylene carbonate) 및 FEC(Fluoroethylene carbonate) 중 하나 이상 선택하여 사용된다.The additive is used by selecting one or more of VC (Vinylene Carbonate), VEC (Vinyl ethylene carbonate), and FEC (Fluoroethylene carbonate).
이러한 본 발명의 이차 전지의 전기적인 시험을 위해 먼저, 표 1과 같이 다양한 실시예의 양극활물질 전극층(12), 음극활물질 전극층(22) 및 버퍼층(23)을 각각 제조하였다. For the electrical test of the secondary battery of the present invention, first, as shown in Table 1, a positive electrode active
표 1에서와 같이 양극활물질 전극층(12)은 실시예 1 내지 4로 제조하였다. 실시예1 및 3에 따른 양극활물질 전극층(12)은 각각 NCM811(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2) 88 wt%, 바인더 2 wt% 및 도전제 10 wt%가 되도록 혼합하여 형성하였고, 실시예2 및 실시예4에 따른 양극활물질 전극층(12)은 각각 NCM811(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2) 94 wt%, 바인더 1 wt% 및 도전제 5 wt%가 되도록 혼합하여 형성하였다. 여기서, 바인더는 PVDF(polyvinylidene difluoride), PTFE(polytetrafluoroethylene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 CMC(carboxymethylcellulose) 중 PVDF(polyvinylidene difluoride)를 사용하였으며, 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 슈퍼-피(Super-P)을 사용하였다. As shown in Table 1, the positive electrode active
음극활물질 전극층(22)의 실시예1은 표 1에서와 같이 도전제 85wt%와 SiOx(x=0.1) 15wt%를 혼합하여 형성하였으며, 도전제는 그래파이트(graphite), 하드 카본(hard carbon), 소프트 카본(soft carbon) 및 그래핀(graphene) 중 그래파이트(graphite)를 선택하여 사용하였다. 음극활물질 전극층(22)의 실시예2는 표 1에서와 같이 도전제 85wt%와 SiOx(x=2.0) 15wt%를 혼합하여 형성하였으며, 도전제는 그래파이트(graphite), 하드 카본(hard carbon), 소프트 카본(soft carbon) 및 그래핀(graphene) 중 그래파이트(graphite)를 선택하여 사용하였다. Example 1 of the negative electrode active
음극활물질 전극층(22)의 실시예3은 표 1에서와 같이 도전제 90wt%와 SiOx(x=0.1) 10wt%를 혼합하여 형성하였으며, 도전제는 그래파이트(graphite), 하드 카본(hard carbon), 소프트 카본(soft carbon) 및 그래핀(graphene) 중 그래파이트(graphite)를 선택하여 사용하였다. 음극활물질 전극층(22)의 실시예4는 또한, 표 1에서와 같이 도전제 90wt%와 SiOx(x=2.0) 10wt%를 혼합하여 형성하였으며, 도전제는 그래파이트(graphite), 하드 카본(hard carbon), 소프트 카본(soft carbon) 및 그래핀(graphene) 중 그래파이트(graphite)를 선택하여 사용하였다. 여기서, 음극활물질 전극층(22)은 바인더를 포합하여 혼합되며, 바인더는 도전제와 SiOx(x=0.1, x-2.0)의 혼합물 95wt%에 대해 5wt%가 되도록 혼합하여 형성하였다.Example 3 of the anode active
버퍼층(23)은 표 1에서와 같이 실시예1 및 2는 평균입경(D1)이 3㎛인 활성탄(23a) 85wt%와 평균입경(D2)이 10㎚인 도전제(23b) 15wt%를 혼합하여 형성하였고, 실시예3 및 4는 평균입경(D1)이 20㎛인 활성탄(23a) 95wt%와 평균입경(D2)이 40㎚인 도전제(23b) 5wt%를 혼합하여 형성하였다. 버퍼층(23)의 도전제(23b)는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 카본블랙(carbon black)를 선택하여 사용하였으며, 그라비아 인쇄법을 이용해 다수개의 버퍼 공간(23c)을 갖도록 형성하였다. 즉, 버퍼층(23)은 집전체(21)의 표면에 형성 시 그라비아 인쇄법을 이용해 다수개의 버퍼 공간(23c)을 갖도록 인쇄한 후 제2집전체(21)의 표면과 접촉함과 아울러 다수개의 버퍼 공간(23c)이 채워지지 않도록 활성탄(23a)과 도전제(23b)를 각각 도포하여 다수개의 버퍼 공간(23c)이 확보되도록 하였다. 여기서, 다수개의 버퍼 공간(23c)의 평균입경(D3)은 각각 음극활물질 전극층(22)으로 사용되는 SiOx(0.1<x<2.0)나 도전제의 평균입경(도시 않음)보다 작게 형성함으로써 음극활물질 전극층(22)의 형성으로 인해 다수개의 버퍼 공간(23c)이 축소되는 것을 방지하거나, 음극활물질 전극층(22)의 제조 시 점도를 10000 내지 50000 CPS(Centipoise)로 높게 혼합하여 도전제와 SiOx(0.1<x<2.0)가 다수개의 버퍼 공간(23c)으로 침투하여 다수개의 버퍼 공간(23c)이 축소되는 것을 방지한다.As shown in Table 1, the
양극활물질 전극층(12), 음극활물질 전극층(22) 및 버퍼층(23)이 형성되고 이를 이용해 양극(10)과 음극(20)을 제조하였고, 양극(10)과 음극(20)이 제조되어 준비되면 양극(10)과 음극(20) 사이에 분리막(30)을 개재시킨 상태에서 양극(10)과 음극(20)은 도 1에서와 같이 전해액(40)에 함침된 후 케이스(50)의 내측에 수납되어 조립된다. 양극(10)과 음극(20)을 케이스(50)의 내측에 조립 시 양극(10)과 음극(20)은 각각의 단자(13,24)가 양극(10)의 제1집전체(11)와 음극(20)의 제2집전체(21)에 연결된 상태에서 케이스(50)의 외부로 노출되도록 조립된다. 여기서, 분리막(30)은 이차 전지(도시 않음)에 적용되는 공지된 분리막이 적용됨으로 설명을 생략한다. When the positive electrode active
전해액(40)은 도 1에서와 같이 이차 전지에 포함되며, 유기용매, 염 및 첨가제를 혼합하여 사용함으로써 본 발명의 이차 전지에 적용될 수 있도록 한다. 유기용매는 Ethylene carbonate(EC), Dimethyl carbonate(DMC) 및 Ethylmethyl carbonate(EMC)가 각각 1:1:1로 동일한 wt%의 비율이 되도록 혼합하여 사용하였고, 염은 리튬염은 LiBF4를 사용하였으며, 비리튬염은 TEABF4(Tetraethylammonium tetrafluoroborate)를 선택하였으며, 첨가제는 VC(Vinylene Carbonate)를 선택하였으며, 실시예1 및 2의 경우에 리튬염은 0.8M(molarity)인 것을 사용하며 비리튬염은 0.5M(molarity)인 것이 사용되었으며, 실시예3 및 실시예4는 각각 리튬염은 2M인 것을 사용하며, 비리튬염은 0.1M인 것을 사용하였다. The
실시예1 내지 실시예4에 따른 이차 전지가 제조되면 비교예에 따른 이차 전지를 제조하였다. 비교예에 따른 이차 전지는 양극은 전극재질로 공지된 LiMn2O4를 사용하였으며 음극의 전극재질은 공지된 활성탄을 적용하였으며, 양극과 음극의 두께와 표면적은 실시예1 내지 실시예4에 따른 이차 전지의 양극(10)과 음극(20)과 동일하게 제조하였다. When secondary batteries according to Examples 1 to 4 were manufactured, secondary batteries according to Comparative Examples were manufactured. The secondary battery according to the comparative example used LiMn 2 O 4 known as an electrode material for the positive electrode, and a known activated carbon was applied as the electrode material for the negative electrode, and the thickness and surface area of the positive electrode and the negative electrode were determined according to Examples 1 to 4. It was manufactured in the same manner as the positive electrode 10 and the
실시예1 내지 실시예4에 따른 이차 전지와 비교예에 따른 이차 전지가 제조되면 각각에 대한 전기적인 특성을 시험하였으며, 그 결과가 표 2에 도시되어 있다. When the secondary batteries according to Examples 1 to 4 and the secondary batteries according to Comparative Examples were manufactured, electrical characteristics of each were tested, and the results are shown in Table 2.
표 2에서와 같이 실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예에 따른 에너지 밀도와 출력효율을 검사한 결과, 에너지 밀도는 실시예 1인 경우에 1C에서 380 Wh/L이고 15C에서 325 Wh/L로 측정되었다. 실시예 2는 1C(씨)에서 400 Wh/L이고 15C에서 320 Wh/L로 측정되었으며, 실시예 3은 1C에서 380 Wh/L이고 15C에서 305 Wh/L로 측정되었다. 실시예 4는 1C에서 400 Wh/L이고 15C에서 300 Wh/L로 측정되었으며, 비교예는 1C에서 350 Wh/L이고 15C에서 210 Wh/L로 측정되었다. As shown in Table 2, as a result of examining the energy density and output efficiency according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples, the energy density was 380 Wh/L at 1C and 325 Wh/L at 15C in the case of Example 1. Was measured. Example 2 was measured at 400 Wh/L at 1C (seed) and 320 Wh/L at 15C, and in Example 3 at 380 Wh/L at 1C and 305 Wh/L at 15C. Example 4 was measured at 400 Wh/L at 1C and 300 Wh/L at 15C, and in Comparative Example, 350 Wh/L at 1C and 210 Wh/L at 15C.
출력효율은 실시예 1인 경우에 1C에서 100%이고 15C에서 85.5%로 측정되었으며, 실시예 2는 1C에서 100%이고 15C에서 80.0%로 측정되었다. 실시예 3은 1C에서 100%이고 15C에서 80.2%로 측정되었고, 실시예 4는 1C에서 100%이고 15C에서 75.0%로 측정되었으며, 비교예는 1C에서 100%이고 15C에서 60%로 측정되었다. 여기서, 에너지 밀도와 출력효율의 검사 내지 측정은 공지된 검사 장비를 이용함으로 상세한 설명을 생략하며, 1C(씨) 방전조건은 C-rate(씨-레이트) = 1인 방전조건을 나타내는 것으로 방전전류가 전지의 정격용량과 같다는 것을 나타낸다. In the case of Example 1, the output efficiency was measured as 100% at 1C and 85.5% at 15C, and in Example 2, 100% at 1C and 80.0% at 15C. Example 3 measured 100% at 1C and 80.2% at 15C, Example 4 measured 100% at 1C and 75.0% at 15C, and Comparative Example measured 100% at 1C and 60% at 15C. Here, the energy density and output efficiency are inspected or measured using a known test equipment, so detailed descriptions are omitted, and the 1C (C) discharge condition indicates a discharge condition in which C-rate (C-rate) = 1, and the discharge current Indicates that is equal to the rated capacity of the battery
실시예 1 내지 실시예 4로 제조된 본 발명의 이차 전지는 표 2에서와 같이 비교예에 따라 제조된 이차 전지와 에너지 밀도와 출력효율을 비교하면 다수개의 버퍼 공간(23c)을 갖는 버퍼층(23)에 의해 15C에서 감소하는 비율이 작으며 이로 인해 이차 전지의 사이클 특성을 개선시킬 수 있게 된다. 즉, 본 발명의 이차 전지는 음극(20)을 구성하는 제2집전체(21)와 음극활물질 전극층(22) 사이나 다수개의 음극활물질 전극층(22)의 사이에 다수개의 버퍼 공간(23c)을 갖는 버퍼층(23)을 형성하여 SiOx(0.1<x<2.0)가 리튬과 반응하여 부피가 팽창하는 경우에 다수개의 버퍼 공간으로 팽창하도록 버퍼 공간을 제공함으로써 SiOx(0.1<x<2.0)가 부피 팽창으로 인한 압력으로 미분화되는 것을 방지할 수 있어 음극활물질로 SiOx(0.1<x<2.0)가 적용된 이차 전지의 사이클 특성을 개선시킬 수 있게 된다.As shown in Table 2, when comparing energy density and output efficiency with the secondary battery manufactured according to the comparative example, the secondary battery of the present invention manufactured in Examples 1 to 4 is a
본 발명의 이차 전지는 전지나 커패시터 제조 산업 분야에 적용할 수 있다.The secondary battery of the present invention can be applied to a battery or capacitor manufacturing industry.
10: 양극
20: 음극
30: 분리막
40: 전해액
50: 케이스10: anode
20: cathode
30: separator
40: electrolyte
50: case
Claims (9)
상기 양극과 이격되어 배치되고, 제2집전체와 상기 제2집전체의 표면에 형성되는 음극활물질 전극층, 및 상기 제2집전체와 음극활물질 전극층 사이에 형성되는 버퍼층을 포함하는 음극(anode); 및
상기 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막;을 포함하고,
상기 양극활물질 전극층은 LCO(LiCoO2), NCM111(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2), NCM622(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2), NCM811(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2), LMO(LiMn2O4) 및 LNMO(LiNi0.5Mn1.5O4) 중에서 선택된 하나이고,
상기 음극활물질 전극층은 도전제 85 내지 90wt%와 SiOx(0.1<x<2.0) 10 내지 15wt%로 혼합되어 형성되며,
상기 음극활물질 전극층의 도전제는 그래파이트(graphite), 하드 카본(hard carbon), 소프트 카본(soft carbon) 및 그래핀(graphene) 중 하나가 사용되며,
상기 버퍼층은 활성탄 85 내지 95wt%와 도전제 5 내지 15wt%로 형성되며, 상기 버퍼층은 평균입경 3 내지 20㎛ 활성탄과 평균입경 10 내지 40㎚ 도전제를 이용해 다수개의 버퍼 공간을 갖도록 형성하며, 상기 다수개의 버퍼 공간의 평균입경은 상기 음극활물질 전극층의 도전제와 SiOx(0.1<x<2.0)의 평균입경보다 작게 형성되어 상기 음극활물질 전극층의 형성으로 인해 다수개의 버퍼 공간이 축소되는 것을 방지하고, SiOx(0.1<x<2.0)가 팽창하는 경우에 버퍼 공간으로 팽창하도록 버퍼 공간을 제공하며,
상기 버퍼층의 도전제는 슈퍼-피(Super-P), 케쳔블랙(ketjen black) 및 카본블랙(carbon black) 중 하나를 선택하여 사용하는 이차 전지.A cathode including a first current collector and a cathode active material electrode layer formed on a surface of the first current collector;
A negative electrode disposed spaced apart from the positive electrode and including a second current collector and a negative electrode active material layer formed on the surface of the second current collector, and a buffer layer formed between the second current collector and the negative electrode active material electrode layer; And
Including; a separator disposed between the anode and the cathode,
The cathode active material electrode layer is LCO (LiCoO 2 ), NCM111 (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ), NCM622 (LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 ), NCM811 (LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 ), is one selected from LMO (LiMn 2 O 4 ) and LNMO (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ),
The negative electrode active material electrode layer is formed by mixing 85 to 90wt% of a conductive agent and 10 to 15wt% of SiOx (0.1<x<2.0),
One of graphite, hard carbon, soft carbon, and graphene is used as the conductive agent of the negative electrode active material electrode layer,
The buffer layer is formed of 85 to 95 wt% of activated carbon and 5 to 15 wt% of a conductive agent, and the buffer layer is formed to have a plurality of buffer spaces using activated carbon with an average particle diameter of 3 to 20 µm and a conductive agent with an average particle diameter of 10 to 40 nm, and the The average particle diameter of the plurality of buffer spaces is formed smaller than the average particle diameter of the conductive agent and SiOx (0.1<x<2.0) of the negative electrode active material electrode layer to prevent the plurality of buffer spaces from being reduced due to the formation of the negative electrode active material electrode layer, Provides a buffer space to expand into the buffer space when SiOx (0.1<x<2.0) expands,
A secondary battery using one of Super-P, ketjen black, and carbon black as the conductive agent of the buffer layer.
상기 제1집전체와 상기 제2집전체의 각각의 재질은 Al, Cu 및 Ni 중 하나를 선택하여 사용하거나 둘 이상을 혼합하여 사용되는 이차 전지.The method of claim 1,
Each material of the first current collector and the second current collector is used by selecting one of Al, Cu, and Ni, or a mixture of two or more.
상기 제2집전체의 표면에 형성되는 상기 음극활물질 전극층은 둘 이상의 음극활물질 전극층으로 구성되고,
상기 버퍼층은 상기 제2집전체와 상기 음극활물질 전극층 사이에 형성되거나, 혹은 음극활물질 전극층들 사이에 형성되는 이차 전지.The method of claim 1,
The negative electrode active material electrode layer formed on the surface of the second current collector is composed of two or more negative electrode active material electrode layers,
The buffer layer is formed between the second current collector and the anode active material electrode layer or between the anode active material electrode layers.
상기 버퍼층은 활성탄과 도전제를 각각 스크린 인쇄법(Screening Printing)이나 그라비아 인쇄법(Gravure Printing)을 이용해 다수개의 버퍼 공간을 갖도록 형성되는 이차 전지.The method according to claim 1 or 3,
The buffer layer is a secondary battery formed to have a plurality of buffer spaces by using a screen printing method or a gravure printing method, respectively, of activated carbon and a conductive agent.
상기 이차 전지는 전해액을 포함하고,
상기 전해액은 유기용매, 염 및 첨가제를 혼합한 것으로,
상기 유기용매는 Acetonitrile(ACN), Ethylene carbonate(EC), Propylene carbonate(PC), Dimethyl carbonate(DMC), Diethyl carbonate(DEC), Ethylmethyl carbonate(EMC), 1,2-dimethoxyethane(DME), γ-buthrolactone(GBL), Methyl formate(MF), Methyl propionate(MP) 중 셋 이상을 혼합한 것이고,
상기 염은 리튬염과 비리튬염을 혼합한 것으로, 상기 리튬염은 LiBF4, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiC(SO2CF3)3, LiBOB(LiBOB : Lithium bis(oxalato)borate) 중 하나 이상이고, 상기 비리튬염은 TEABF4(Tetraethylammonium tetrafluoroborate), TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluorborate) 및 SBPBF4(spiro-(1,1′)-bipyrrolidium tetrafluoroborate) 중 하나 이상이고,
상기 첨가제는 VC(Vinylene Carbonate), VEC(Vinyl ethylene carbonate) 및 FEC(Fluoroethylene carbonate) 중 하나 이상인 이차 전지.The method of claim 1,
The secondary battery includes an electrolyte solution,
The electrolyte is a mixture of an organic solvent, a salt and an additive,
The organic solvent is Acetonitrile (ACN), Ethylene carbonate (EC), Propylene carbonate (PC), Dimethyl carbonate (DMC), Diethyl carbonate (DEC), Ethylmethyl carbonate (EMC), 1,2-dimethoxyethane (DME), γ- It is a mixture of three or more of buthrolactone (GBL), methyl formate (MF), and methyl propionate (MP),
The salt is a mixture of a lithium salt and a non-lithium salt, and the lithium salt is LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiAlCl 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN(SO 2 CF3)2, LiC(SO2CF3) 3, LiBOB (LiBOB: Lithium bis(oxalato)borate), and the non-lithium salt is TEABF4 (Tetraethylammonium tetrafluoroborate), TEMABF4 (triethylmethylammonium tetrafluorborate), and SBPBF4 (spiro-(1,1′)-bipyrrolidium tetrafluoroborate). More than one,
The additive is at least one of VC (Vinylene Carbonate), VEC (Vinyl ethylene carbonate), and FEC (Fluoroethylene carbonate) secondary battery.
상기 유기용매는 선택된 셋 이상의 유기용매가 각각 동일한 wt%의 비율로 혼합한 것이고,
상기 리튬염은 0.8 내지 2M(molarity)이고,
상기 비리튬염은 0.1 내지 0.5M(molarity)인 이차 전지.The method of claim 8,
The organic solvent is a mixture of three or more selected organic solvents in the same wt% ratio,
The lithium salt is 0.8 to 2M (molarity),
The non-lithium salt is 0.1 to 0.5M (molarity) secondary battery.
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