KR20140121953A - 리튬 이차전지용 음극, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지 - Google Patents

리튬 이차전지용 음극, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 카본계 음극 활물질, 바인더 및 전도성 고분자를 포함하고, 상기 전도성 고분자는 화이버 형태인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
본 발명은 리튬 이차전지용 음극에 전도성 고분자로서 화이버 형태의 고분자를 적용함에 따라 카본계 음극 활물질의 단점인 도전성의 저하에 대한 단점을 보완하고, 음극의 제조를 쉽게 할 수 있다.

Description

리튬 이차전지용 음극, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{NEGATIVE ELECTRODE FOR SECONDARY BATTERY, THE PREPARATION METHOD THEREOF AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 리튬 이차전지용 음극, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 전도성 고분자를 포함하는 리튬 이차전지용 음극, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
통상적으로 리튬 이차전지는 탄소 재료나 리튬 금속 합금으로 된 음극, 리튬 금속 산화물로 된 양극 및 유기용매에 리튬염을 용해시킨 전해질을 구비하며, 특히, 리튬 이차전지의 음극을 구성하는 음극 활물질로는 초기에는 리튬 금속이 사용되었다. 하지만 리튬은 가역성 및 안전성이 낮은 문제점이 있어, 현재 리튬 이차전지의 음극 활물질로는 주로 탄소재가 사용되고 있다. 탄소재는 리튬 금속에 비해 용량은 작지만, 부피 변화가 적고 가역성이 뛰어나며 가격 측면에서 유리한 장점이 있다.
하지만, 이러한 카본계 음극 활물질은 한정된 도전성을 가지며, 전극 제조 시, 활물질간 경계 부분에 빈 공간을 형성하여 전극의 저항을 증가시킨다는 단점이 있다.
따라서 상기와 같이 낮은 도전성의 개선을 위하여 많은 연구가 진행되고 있으며, 예를 들어 한국 공개특허 2012-0129983호의 경우, 카본 블랙을 이용하여 전도성을 향상시키는 음극재료에 대하여 개시하고 있으나, 제조 방법이 복잡하고, 전도성 역시 충분하지 못하다는 문제점이 있다.
한국 공개특허 2012-0129983호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서,
리튬 이차전지용 음극에 전도성 고분자를 적용함에 따라 카본계 음극 활물질의 단점인 도전성의 저하에 대한 단점을 보완하고, 음극의 제조를 쉽게 할 수 있는 리튬 이차전지용 음극을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
카본계 음극 활물질, 바인더 및 전도성 고분자를 포함하고, 상기 전도성 고분자는 화이버 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극을 제공한다.
또한, 본 발명은 (A) 카본계 음극 활물질 및 전도성 고분자를 바인더가 용해된 용액에 분산시켜 슬러리를 준비하는 단계; (B) 상기 슬러리를 음극활물질층이 형성된 집전체의 표면에 도포하는 단계; 및 (C) 상기 (B) 단계에서 도포된 집전체를 건조시키는 단계를 포함하고, 상기 전도성 고분자는 화이버 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극의 제조방법.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극에 의하면, 전도성 고분자로서 PEDOT/PSS을 적용함에 따라 카본계 음극 활물질의 단점인 도전성의 하락을 방지하고, 음극의 제조를 용이하게 조절할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제조방법에 대한 모식도를 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1과 비교예 1에서 제조된 전지의 수명 및 효율 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1과 비교예 1에서 제조된 전지의 저항 특성 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극은 카본계 음극 활물질, 바인더 및 전도성 고분자를 포함하고, 상기 전도성 고분자는 화이버 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 카본계 음극 활물질은 종래 통상적으로 사용하는 카본계 음극 활물질을 사용할 수 있다. 사용 가능한 카본계 음극 활물질로 바람직하게는 탄소재를 사용할 수 있으며, 상기 탄소재로는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 상기 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소(hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(meso-carbon microbeads), 액정피치(Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.
본 발명에 있어서, 상기 카본계 음극 활물질의 함량범위는 일반적으로 사용되는 범위라면 특별한 제한은 없으나, 음극 총중량 대비 20 내지 95 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 카본계 음극 활물질의 함량비가 상기 범위를 만족하는 경우에 전지의 도전성이 우수하다.
본 발명에 따른 바인더는 종래 통상적으로 사용하는 수계 바인더를 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용 가능한 바인더로는 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 니트릴-부타디엔 고무, (메트)아크릴산메틸-부타디엔 고무, 클로로프렌 고무, 카르복시 변성 스티렌-부타디엔 러버, 카르복시 메틸셀룰로스(CMC) 및 변성 폴리오가노실록산계 중합체 중 어느 하나 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 스티렌-부타디엔 고무를 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 바인더의 함량범위는 일반적으로 사용되는 범위라면 특별한 제한은 없으나, 상기 바인더는 전체 음극의 총 중량이 100 중량%가 되도록 하는 잔량으로 포함되므로, 다른 구성 성분의 함량에 따라 조정될 수 있다.
본 발명에 따른 전도성 고분자로는 화이버 형태를 갖는 것을 사용할 수 있다. 상기 화이버 형태를 갖는 전도성 고분자로서 보다 구체적으로는 PEDOT/PSS(폴리-3,4-에틸렌디옥시티오펜/폴리스티렌설포네이트)을 사용할 수 있다. 상기 PEDOT/PSS(폴리-3,4-에틸렌디옥시티오펜/폴리스티렌설포네이트)는 티오펜(thiophene)의 구조에 에틸렌디옥시(ethylenedioxy) 그룹을 고리의 형태로 갖고 있으며, 공기나 열에 대한 우수한 안정성을 가지고 있다. 게다가, 종래의 음극 재료에 비하여 경량이므로, 전지를 경량화 할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전도성 고분자는 음극 중의 고형분에 대하여 0.1~ 3 중량%로 포함될 수 있고, 바람직하게는 0.5~ 2 중량%로 포함되고, 더욱 바람직하게는 0.8~ 1.5 중량%로 포함될 수 있다. 상기 전도성 고분자의 함량비가 상기 범위를 만족하는 경우에는 도전성의 하락을 방지하고, 음극의 제조를 용이하게 조절할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 음극의 제조 방법은 특별히 제한되지 않으며, 당 업계에 알려진 통상적인 방법 즉, 음극활물질, 바인더 및 전도성 고분자를 포함하는 전극 슬러리를 전류 집전체 상에 도포 및 건조하여 제조될 수 있다. 이때 필요에 따라 분산제 또는 계면활성제를 사용할 수도 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차 전지는 비탄소계 리튬 이차 전지용 카본계 음극 활물질을 포함하는 음극; 양극 활물질을 포함하는 양극; 및 전해질을 포함한다.
본 발명에 있어서, 양극 활물질로는 리튬함유 전이금속산화물이 바람직하게 사용될 수있으며, 예를 들면 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi1 - yCoyO2, LiCo1 - yMnyO2, LiNi1 -yMnyO2(O≤y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2 -zNizO4(0<z<2), LiMn2 -zCozO4(0<z<2), LiCoPO4 및 LiFePO4로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 이러한 산화물(oxide) 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 전해액에 있어서, 전해질로서 포함될 수 있는 리튬염은 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, 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 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지는 휴대폰과 같은 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀은 물론, 다수의 전지셀 들을 포함하는 중대형 전지모듈의 단위셀로도 바람직하게 사용될 수 있다. 적용 가능한 중대형 디바이스로는 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 자전거(Ebike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차; 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 기초하여 더욱 상세하게 설명하지만, 하기에 개시되는 본 발명의 실시 형태는 어디까지 예시로써, 본 발명의 범위는 이들의 실시 형태에 한정되지 않는다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 표시되었고, 더욱이 특허 청구범위 기록과 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 함유하고 있다. 또한, 이하의 실시예, 비교예에서 함유량을 나타내는 "%" 및 "부"는 특별히 언급하지 않는 한 질량 기준이다.
실시예
음극의 제조
카본계 음극 활물질로 천연흑연을, 바인더로 스티렌-부타디엔 고무 및 전도성 고분자로 PEDOT/PSS을 사용하여 하기 표 1에 기재된 조성으로 음극 합제를 제조하였다. 이후, 제조된 음극 합제를 N-메틸피롤리돈에 첨가하여 음극 활물질 슬러리로 제조한 후 이를 구리 포일에 도포하고 약 130℃에서 2시간 동안 건조하여 음극을 제조했다.
천연흑연(중량%) SBR(중량%) PEDOT/PSS (중량%)
합성예 1 93 6 1
합성예 2 92 5 0
PEDOT/PSS: Baytron P
상기 합성예 1 내지 2의 조성으로 제조된 음극의 면저항을 포면 저항 측정 장비(4 point probe)를 이용하여 측정하여, 이를 하기 표 2에 기재하였다.
음극 면저항(mΩ/m2)
합성예 1 46.9
합성예 2 16.1
반쪽 전지의 제조
[실시예 1]
상기 제조된 합성예 1에서 제조된 음극과, 리튬 대극, 미세다공성 폴리에틸렌 세퍼레이터 및 전해질을 사용하여 헬륨 충진된 글로브 박스에서 코인 타입의 반쪽 셀(2016 R-type half cell)을 제조하였다. 상기 전해질은 에틸렌 카보네이트 및 디메틸 카보네이트를 50:50의 부피비로 혼합한 용매에 1 M LiPF6를 용해시킨 것을 사용하였다.
[비교예 1]
상기 합성예 2 에서 제조된 음극을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코인 타입의 반쪽 셀(2016 R-type half cell)을 제조하였다.
실험예 1. 전지의 수명 및 효율 특성
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 반쪽 셀을 0 V 내지 1.5 V에서, 0.5 C 로 충방전을 50 사이클을 실시하면서 쿨롱 효과 및 충전 용량의 변화를 측정하였다. 그 결과를 도 2(a) 및 도 2(b)에 나타냈다.
도 2(a)를 살펴보면, 실시예 1의 전지는 비교예 1의 전지에 비하여 안정적으로 높은 쿨롱 효율을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 2(b)를 살펴보면, 실시예 1의 전지는 50 싸이클 후에도 초기 용량의 변화가 98% 이상을 유지하는데 반하여, 비교예 1의 전지의 경우, 충전 용량의 변화가 97% 이하로 떨어진다는 점에서, 실시예 1의 전지의 수명이 향상된다는 점을 알 수 있다.
이같은 결과로부터 본 발명에 따른 리튬 이온 전지의 수명 특성이 종래 기술보다 더 뛰어나며, 높은 충방전 속도에서 급속 충전이 가능함을 확인할 수 있었다.
실험예 2. 전지의 high rate 에서 저항 특성
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 반쪽 셀을 0 V 내지 1.5 V에서, 5 C로 고율(high rate) 방전을 실시하면서 전지의 내부 저항을 각각 측정하였다. 그 결과를 도 3에 나타냈다.
상기 도 3을 살펴보면, 실시예 1의 전지는 비교예 1의 전지에 비하여 약 8 이상 낮은 저항 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (13)

  1. 카본계 음극 활물질, 바인더 및 전도성 고분자를 포함하는 리튬 이차전지용 음극에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 화이버 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 PEDOT/PSS 인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 음극 중의 고형분에 대하여 0.1~ 3 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 음극 중의 고형분에 대하여 0.5~ 2 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 음극 중의 고형분에 대하여 0.8~ 1.5 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 바인더는 스티렌-부타디엔 고무, 니트릴-부타디엔 고무, (메트)아크릴산메틸-부타디엔 고무, 클로로프렌 고무, 카르복시 변성 스티렌-부타디엔 러버, 카르복시 메틸셀룰로스(CMC) 및 변성 폴리오가노실록산계 중합체 로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 카본계 음극 활물질은 연화탄소(soft carbon), 경화탄소(hard carbon), 천연 흑연, 키시흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(meso-carbon microbeads), 액정피치(Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes)으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극.
  8. (A) 카본계 음극 활물질 및 전도성 고분자를 바인더가 용해된 용액에 분산시켜 슬러리를 준비하는 단계;
    (B) 상기 슬러리를 음극활물질층이 형성된 집전체의 표면에 도포하는 단계; 및
    (C) 상기 (B) 단계에서 도포된 집전체를 건조시키는 단계를 포함하는, 청구항 1 의 리튬 이차전지용 음극의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 PEDOT/PSS 인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극의 제조방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 음극 중의 고형분에 대하여 0.1~ 3 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극의 제조방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 음극 중의 고형분에 대하여 0.5~ 2 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 의 제조방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 음극 중의 고형분에 대하여 0.8~ 1.5 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 의 제조방법.
  13. 양극, 음극 및 전해질을 포함하는 리튬 이차전지에 있어서,
    상기 음극은 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항의 음극인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
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