KR20210050348A - 음극 활물질의 제조 방법, 음극 활물질, 이를 포함하는 음극, 및 상기 음극을 포함하는 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소질 코어 및 피치를 혼합하고 제1 열처리하여 복합 입자를 형성하는 단계; 및 상기 복합 입자와 피치를 혼합하고 제2 열처리하는 단계; 를 포함하는 음극 활물질의 제조 방법, 음극 활물질, 음극, 및 이차 전지에 관한 것이다.

Description

음극 활물질의 제조 방법, 음극 활물질, 이를 포함하는 음극, 및 상기 음극을 포함하는 이차 전지{METHOD FOR PREPARING A NEGATIVE ELECTRODE MATERIAL, THE NEGATIVE ELECTRODE MATERIAL, A NEGATIVE ELECTRODE COMPRISING THE NEGATIVE ELECTRODE MATERIAL, AND A SECONDARY BATTERY COMPRISING THE NEGATIVE ELECTRODE}
본 발명은 탄소질 코어 및 피치를 혼합하고 제1 열처리하여 복합 입자를 형성하는 단계; 및 상기 복합 입자와 피치를 혼합하고 제2 열처리하는 단계;를 포함하는 음극 활물질의 제조 방법, 음극 활물질, 음극, 및 이차 전지에 관한 발명이다.
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. 최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 일반적으로 이차 전지는 양극, 음극, 전해질, 및 분리막으로 구성된다. 음극은 양극으로부터 나온 리튬 이온을 삽입하고 탈리시키는 음극 활물질 및 상기 음극 활물질이 음극에서 탈리되지 않도록 접착력을 부여하는 바인더를 포함할 수 있다. 이 중, 바인더로는 스티렌 부타디엔 고무(SBR)이 주로 사용되고 있다. 상기 SBR은 점형 바인더로 음극 활물질 간 및/또는 음극 활물질과 집전체간의 접착력(음극 접착력)을 부여하는 역할을 한다.
한편, 음극 활물질로 흑연 등의 탄소질 물질이 사용될 수 있다. 다만, 상기 탄소질 물질의 경우 표면에 크기가 큰 기공들이 다수 형성되어 있으므로, 상기 SBR과 상기 탄소질 물질 간의 접착 면적이 줄어들어, 상기 SBR의 접착력 부여 능력이 감소하는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 상기 탄소질 물질의 표면에 산소 등을 포함하는 관능기를 형성시키는 방법도 있으나, 이는 탄소질 물질의 용량 저하로 이어지게 된다.
따라서, 본 발명에서는 탄소질 물질의 표면에 존재하던 다수의 큰 기공들을 줄여, 음극 접착력을 개선시키는 새로운 방법을 제안한다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 음극 접착력을 개선시킬 수 있는 음극 활물질의 제조 방법, 음극 활물질을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 음극 활물질을 포함하는 음극 및 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소질 코어 및 피치를 혼합하고 제1 열처리하여 복합 입자를 형성하는 단계; 및 상기 복합 입자와 피치를 혼합하고 제2 열처리하는 단계;를 포함하는 음극 활물질의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 탄소질 코어 및 탄소 코팅층을 포함하며, 총 기공 부피가 0.003cm3/g 내지 0.010cm3/g인 음극 활물질이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 음극 활물질을 포함하는 음극이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 음극을 포함하는 이차 전지가 제공된다.
본 발명에 따르면, 탄소질 코어 상에 표면이 매끄러운 탄소 코팅층이 배치될 수 있으므로, 음극 활물질의 총 기공 부피가 줄어들 수 있다. 이에 따라 음극 활물질과 바인더의 접착력이 강화되어, 음극 접착력이 개선되고, 전지의 수명 특성이 향상될 수 있다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 D50은 각각 입자의 입도 분포 곡선(입도 분포도의 그래프 곡선)에 있어서, 체적 누적량의 50%에 해당하는 입경으로 정의할 수 있다. 상기 D50은 예를 들어, 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 상기 레이저 회절법은 일반적으로 서브미크론(submicron) 영역에서부터 수 mm 정도의 입경의 측정이 가능하며, 고 재현성 및 고 분해성의 결과를 얻을 수 있다.
본 명세서에서 BET비표면적은 BELSORP-mini II(BEL Japan, Inc.) 장비를 통해 측정될 수 있다.
본 명세서에서 총 기공 부피는 BELSORP-mini II(BEL Japan, Inc.) 장비를 이용하여 BET plot으로부터 측정될 수 있다.
<음극 활물질의 제조 방법>
본 발명의 일 실시예에 따른 음극 활물질의 제조 방법은, 탄소질 코어 및 피치를 혼합하고 제1 열처리하여 복합 입자를 형성하는 단계; 및 상기 복합 입자와 피치를 혼합하고 제2 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
(1) 복합 입자를 형성하는 단계
상기 복합 입자를 형성하는 단계는 탄소질 코어 및 피치를 혼합하고 제1 열처리하는 것을 포함할 수 있다.
상기 탄소질 코어의 평균 입경(D50)은 7㎛ 내지 25㎛일 수 있으며, 구체적으로 8㎛ 내지 23㎛, 보다 구체적으로 14㎛ 내지 22㎛일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 피치 코팅 시 입자 뭉침 현상을 최소화 할 수 있다.
상기 탄소질 코어는 상기 탄소질 코어는 천연흑연, 인조흑연, 및 MCMB(Mesocarbone microbeads)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 탄소질 코어는 탄소질 매트릭스 및 복수의 천연흑연 입자가 서로 조립화된 2차 입자를 포함할 수 있다.
상기 2차 입자는 구형일 수 있다. 구체적으로, 상기 2차 입자에 포함된 복수의 천연흑연은 인편상 천연흑연이 개질되어 형성된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 천연흑연은 상기 인편상 천연흑연이 뭉쳐서 형성된 것일 수 있으며, 보다 구체적으로, 상기 천연흑연은 상기 인편상 천연흑연이 말려서 서로 결합될 수 있으며, 이에 따라 상기 2차 입자가 구형 내지 구형에 가까운 형태를 가질 수 있다.
상기 2차 입자의 구형화도는 0.73 내지 0.97일 수 있고, 구체적으로 0.83 내지 0.96일 수 있고, 보다 구체적으로 0.92 내지 0.95일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 음극이 고밀도로 제조될 수 있으며, 음극 접착력(음극 활물질이 음극으로부터 탈리되는 것을 막는 힘)이 개선되는 효과가 있다. 상기 구형화도는 3D 입자의 2D 이미지를 캡처하여 디지털 이미지 분석법으로 측정(예컨대 장비명 Morphologi4 (Malvern 社) 사용)될 수 있다.
상기 탄소질 매트릭스는 상기 복수의 천연흑연이 결합된 상태를 유지시키는 역할을 할 수 있다. 상기 탄소질 매트릭스는 비정질 탄소를 포함할 수 있다.
본 발명의 음극 활물질의 제조 방법은 탄소질 코어를 준비하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 탄소질 코어를 준비하는 단계는 복수의 인편상 천연흑연 및 피치를 혼합한 뒤 구형화하는 것을 포함할 수 있으며, 이에 따라, 상기 2차 입자를 포함하는 상기 탄소질 코어가 형성될 수 있다.
상기 구형화하는 것은 밀링 등의 장비에서 로터 속도나 시간을 제어하여 인편상 천연흑연을 반복적으로 접거나 조립하는 방식으로 수행될 수 있다.
상기 탄소질 코어를 준비하는 단계는 상기 복수의 인편상 천연흑연 및 피치를 혼합한 뒤 구형화시켜 형성된 입자의 내부 기공을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 입자의 내부 기공을 제거하는 방법으로는, 피치로 내부 기공을 채우는 방법, 냉간 등방압 가압법(cold isostatic pressing: CIP) 등의 방법으로 수행될 수 있다. 이를 통해, 상기 제조된 2차 입자의 기공 부피는 낮은 수준일 수 있다. 또한, 상기 내부 기공을 제어하는 단계를 통해 음극 활물질의 비표면적 등이 제어될 수 있으므로, 전해액 부반응이 감소할 수 있다.
상기 탄소질 코어와 혼합되는 상기 피치는 석유계 피치 및 석탄계 피치 중 어느 하나일 수 있다.
상기 복합 입자를 형성하는 단계에 있어서, 상기 탄소질 코어와 상기 피치의 중량비는 1:0.010 내지 1:0.056일 수 있으며, 구체적으로 1:0.040 내지 1:0.056 일 수 있고, 보다 구체적으로 1:0.045 내지 1:0.056일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 계면 저항이 충분히 낮아 전지의 급속 충전 성능이 향상되며, 음극 활물질의 용량이 높은 수준으로 유지되고, 음극 압연 시 비표면적이 급격한 증가가 억제되어 초기 효율 및 전지 고온 저장 성능이 향상될 수 있다.
상기 제1 열처리는 1000℃ 내지 1400℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 구체적으로 1050℃ 내지 1350℃의 온도에서 수행될 수 있고, 보다 구체적으로 1100℃ 내지 1300℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 제1 열처리에 의해, 상기 탄소질 코어 상에 제1 탄소 코팅층이 형성될 수 있다. 상기 온도 범위를 만족하는 경우, 제1 탄소 코팅층 내 수소의 양이 억제되어 리튬 이온과 수소의 반응이 감소될 수 있다.
(2) 복합 입자와 피치를 혼합하고 제2 열처리 하는 단계
상기 복합 입자와 피치를 혼합하고 제2 열처리하는 단계에 있어서, 상기 복합 입자와 상기 피치의 중량비는 1:0.010 내지 1:0.052일 수 있으며, 구체적으로 1:0.035 내지 1:0.052, 보다 구체적으로 1:0.045 내지 1:0.052일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 계면 저항이 충분히 낮아 전지의 급속 충전 성능이 향상되며, 음극 활물질의 용량이 높은 수준으로 유지되고, 음극 압연 시 비표면적이 급격한 증가가 억제되어 초기 효율 및 전지 고온 저장 성능이 향상될 수 있다.
상기 제2 열처리는 1000℃ 내지 1400℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 구체적으로 1050℃ 내지 1350℃의 온도에서 수행될 수 있고, 보다 구체적으로 1100℃ 내지 1300℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 제2 열처리에 의해, 상기 제1 탄소 코팅층 상에 제2 탄소 코팅층이 형성될 수 있다. 상기 온도 범위를 만족하는 경우, 제2 탄소 코팅층 내 수소의 양이 억제되어 리튬 이온과 수소의 반응이 감소될 수 있다.
종래의 경우, 탄소 코팅층을 형성하지 않은 탄소질 코어 및 표면에 탄소 코팅층을 한번의 열처리 공정으로 하나의 층만으로 형성시킨 탄소질 코어의 경우, 코어에 필연적으로 존재하는 기공이 충분히 채워지지 못한다(총 기공 부피가 높은 수치에 해당함). 상기 기공이 다수로 존재하는 경우, SBR 등의 점형 바인더와 탄소질 코어(내지 탄소 코팅층이 한번의 열처리 공정으로 하나의 층만으로 형성된 탄소질 코어)와의 접촉 면적이 줄어들어, 음극 접착력이 저하되는 문제가 있다.
반면, 본 발명에서는 두 번의 피치 혼합 및 열처리를 통해 상기 탄소질 코어의 기공이 충분히 채워질 수 있으며, 상기 탄소질 코어 상에 비교적 표면이 매끄러운 탄소 코팅층을 형성시킬 수 있다(총 기공 부피가 낮은 수준에 해당함). 이에 따라 SBR 등의 점형 바인더와 탄소질 코어의 접촉 면적이 확보될 수 있으므로, 음극 접착력이 개선될 수 있다.
<음극 활물질>
본 발명의 다른 실시예에 따른 음극 활물질은, 탄소질 코어 및 탄소 코팅층을 포함하며, 총 기공 부피가 0.003cm3/g 내지 0.010cm3/g일 수 있다. 여기서 탄소질 코어는 상술한 음극 활물질의 제조 방법에서 소개된 탄소질 코어와 동일한 바 설명을 생략한다.
상기 탄소 코팅층은 상기 탄소질 코어 상에 배치될 수 있으며, 구체적으로 상기 탄소 코팅층은 상기 탄소질 코어의 표면의 적어도 일부를 덮을 수 있다.
상기 탄소 코팅층은 비정질 탄소를 포함하며, 구체적으로 비정질 탄소로 이루어질 수 있다.
상기 탄소 코팅층은 상술한 실시예에서 소개된 '탄소질 코어와 피치를 혼합하고 제1 열처리하여 복합 입자를 형성하고, 상기 복합 입자와 피치를 혼합한 뒤 제2 열처리 하는 단계'를 거쳐서 형성될 수 있다.
상기 음극 활물질의 총 기공 부피(total pore volume)은 0.003cm3/g 내지 0.010cm3/g일 수 있으며, 구체적으로 0.0035cm3/g 내지 0.0090cm3/g 일 수 있으며, 구체적으로 0.0035cm3/g 내지 0.0045cm3/g일 수 있다. 상기 총 기공 부피가 0.003cm3/g미만인 경우 전해액과 음극 활물질의 제한적인 접촉 면적으로 인해 이온 전도도가 저하되어 전지의 고율 충방전에 불리하다. 상기 총 기공 부피가 0.010cm3/g 초과인 경우 음극 활물질과 바인더의 접착력이 저하되어, 음극 접착력이 전체적으로 저하되고 전지의 수명 특성이 저하된다. 0.003cm3/g 내지 0.010cm3/g의 상기 기공 부피는 피치를 통한 두 번의 코팅에 의해 탄소질 코어 상의 기공들이 효과적으로 채워질 수 있으므로 도출되는 수치 범위에 해당한다.
상기 음극 활물질의 BET비표면적은 0.5m2/g 내지 2.0m2/g일 수 있고, 구체적으로 1.0m2/g 내지 1.9m2/g일 수 있으며, 보다 구체적으로 1.0m2/g 내지 1.4m2/g일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 음극 활물질과 바인더의 접착력이 향상되어, 음극 접착력 및 전지 수명 특성이 개선될 수 있다.
<음극 >
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음극은, 상술한 실시예의 음극 활물질을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 음극은 음극 활물질층을 포함할 수 있으며, 구체적으로 집전체 및 상기 음극 활물질층을 포함할 수 있다.
상기 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 되고, 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 집전체로는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 구체적으로는, 구리, 니켈과 같은 탄소를 잘 흡착하는 전이 금속을 집전체로 사용할 수 있다. 상기 집전체의 두께는 6㎛ 내지 20㎛일 수 있으나, 상기 집전체의 두께가 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 음극 활물질층은 상기 집전체 상에 배치될 수 있다. 상기 음극 활물질층은 상기 집전체의 적어도 일면 상에 배치될 수 있으며, 구체적으로 일면 또는 양면 상에 배치될 수 있다.
상기 음극 활물질층은 음극 활물질을 포함할 수 있으며, 이 때 음극 활물질은 상술한 실시예의 음극 활물질일 수 있다.
상기 음극은 바인더 및 도전재 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 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.
상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
<이차 전지>
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지는 음극을 포함할 수 있으며, 상기 음극은 상술한 실시예의 음극과 동일하다.
구체적으로, 상기 이차 전지는 상기 음극, 양극, 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막, 및 전해질을 포함할 수 있으며, 상기 음극은 상술한 음극과 동일하다. 상기 음극에 대해서는 상술하였으므로, 구체적인 설명은 생략한다.
상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 형성되며, 상기 양극활물질을 포함하는 양극활물질층을 포함할 수 있다.
상기 양극에 있어서, 양극 집전체는 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 집전체는 통상적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 통상적으로 사용되는 양극 활물질일 수 있다. 구체적으로, 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≤0.3를 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≤0.1를 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.
상기 양극활물질층은 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.
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 전해액 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.
상기 전해질은 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, 테트라히드록시 프랑(franc), 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 전해액에 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 또 다른 실시예에 따르면, 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.
실시예 및 비교예
실시예 1: 음극 활물질의 제조
인편상 천연흑연(D50: 250nm) 및 피치를 혼합한 뒤 구형화 공정을 거쳐 제조된 2차 입자(D50: 16㎛, 구형화도: 0.93)를 탄소질 코어로 사용하였다.
상기 탄소질 코어와 피치를 1:0.049의 중량비로 혼합한 뒤, 혼합기로 교반하였다. 이 후, 상기 혼합물을 1200℃에서 8시간 동안 열처리하여 복합 입자를 제조하였다.
상기 복합 입자와 피치를 1:0.047의 중량비로 혼합한 뒤, 혼합기로 교반하였다. 이 후, 상기 혼합물을 1300
Figure pat00001
℃에서 9시간 동안 열처리하여 음극 활물질을 제조하였다.
실시예 2: 음극 활물질의 제조
인편상 천연흑연(D50: 250nm) 및 피치를 혼합한 뒤 구형화 공정을 거쳐 제조된 2차 입자(D50: 16㎛, 구형화도: 0.93)를 탄소질 코어로 사용하였다.
상기 탄소질 코어와 피치를 1:0.043의 중량비로 혼합한 뒤, 혼합기로 교반하였다. 이 후, 상기 혼합물을 1250℃에서 7시간 동안 열처리하여 복합 입자를 제조하였다.
상기 복합 입자와 피치를 1:0.042의 중량비로 혼합한 뒤, 혼합기로 교반하였다. 이 후, 상기 혼합물을 1300℃에서 9시간 동안 열처리하여 음극 활물질을 제조하였다.
실시예 3: 음극 활물질의 제조
인편상 천연흑연(D50: 250nm) 및 피치를 혼합한 뒤 구형화 공정을 거쳐 제조된 2차 입자(D50: 16㎛, 구형화도: 0.93)를 탄소질 코어로 사용하였다.
상기 탄소질 코어와 피치를 1:0.032의 중량비로 혼합한 뒤, 혼합기로 교반하였다. 이 후, 상기 혼합물을 1200℃에서 7시간 동안 열처리하여 복합 입자를 제조하였다.
상기 복합 입자와 피치를 1:0.031의 중량비로 혼합한 뒤, 혼합기로 교반하였다. 이 후, 상기 혼합물을 1300℃에서 9시간 동안 열처리하여 음극 활물질을 제조하였다.
실시예 4: 음극 활물질의 제조
인편상 천연흑연(D50: 250nm) 및 피치를 혼합한 뒤 구형화 공정을 거쳐 제조된 2차 입자(D50: 11㎛, 구형화도: 0.90)를 탄소질 코어로 사용하였다.
상기 탄소질 코어와 피치를 1:0.043의 중량비로 혼합한 뒤, 혼합기로 교반하였다. 이 후, 상기 혼합물을 1300℃에서 6시간 동안 열처리하여 복합 입자를 제조하였다.
상기 복합 입자와 피치를 1:0.042의 중량비로 혼합한 뒤, 혼합기로 교반하였다. 이 후, 상기 혼합물을 1300℃에서 8시간 동안 열처리하여 음극 활물질을 제조하였다.
비교예 1: 음극 활물질의 제조
실시예 1에서 사용된 탄소질 코어와 피치를 1:0.064의 중량비로 혼합한 뒤, 혼합기로 교반하였다. 이 후, 상기 혼합물을 1300℃에서 10시간 동안 열처리하여 복합 입자를 제조하였다.
음극 활물질의 BET비표면적(m2/g) 총 기공 부피(10-3cm3/g)
실시예 1 1.2 3.9
실시예 2 1.6 5.0
실시예 3 1.4 4.2
실시예 4 1.9 8.9
비교예 1 2.8 16.7
상기 BET비표면적은 BELSORP-mini II(BEL Japan, Inc.) 장비를 통해 측정하였다.상기 총 기공 부피는 BELSORP-mini II(BEL Japan, Inc.) 장비를 이용하여 BET plot으로부터 측정하였다.
실험예 1: 음극 접착력 평가
실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 음극 활물질 각각을 사용하여, 아래와 같은 방법으로 음극을 제조하였다.
구체적으로, 각각의 음극 활물질과, 도전재로 Super C65, 바인더로 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 및 증점제인 카르복시메틸셀룰로오즈(CMC)를 각각 96.6:1:1.3:1.1의 중량비로 혼합하고, 물을 첨가하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 구리 호일(집전체)에 도포한 뒤, 130℃에서 10시간 동안 진공 건조하여 음극(1.4875cm2)을 제조하였다. 제조된 음극의 로딩량은 3.61mAh/cm2이었다.
상기 음극을 20mmХ150mm로 타발하여 25mmХ75mm 슬라이드 글라스 중앙부에 테이프를 사용하여 고정시킨 후, UTM을 사용하여 집전체를 벗겨 내면서 90도 벗김 강도를 측정하였다. 평가는 5개 이상의 벗김 강도를 측정하여 평균값으로 정하였으며 이를 표 2에 나타내었다.
음극 접착력(gf/10mm)
실시예 1 30
실시예 2 27
실시예 3 25
실시예 4 18
비교예 1 14

Claims (15)

  1. 탄소질 코어 및 피치를 혼합하고 제1 열처리하여 복합 입자를 형성하는 단계; 및
    상기 복합 입자와 피치를 혼합하고 제2 열처리하는 단계;
    를 포함하는 음극 활물질의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 열처리는 1000℃ 내지 1400℃의 온도에서 수행되는 음극 활물질의 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 열처리는 1000℃ 내지 1400℃의 온도에서 수행되는 음극 활물질의 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합 입자를 형성하는 단계에 있어서,
    상기 탄소질 코어와 상기 피치의 중량비는 1:0.010 내지 1:0.056인 음극 활물질의 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합 입자와 피치를 혼합하고 제2 열처리하는 단계에 있어서,
    상기 복합 입자와 상기 피치의 중량비는 1:0.010 내지 1:0.052인 음극 활물질의 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소질 코어의 평균 입경(D50)은 7㎛ 내지 25㎛인 음극 활물질의 제조 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소질 코어는 천연흑연, 인조흑연, 및 MCMB로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 음극 활물질의 제조 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소질 코어는 탄소질 매트릭스 및 복수의 천연흑연 입자가 서로 조립화된 2차 입자를 포함하는 음극 활물질의 제조 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소질 코어를 준비하는 단계를 더 포함하며,
    상기 탄소질 코어를 준비하는 단계는,
    복수의 인편상 천연흑연 및 피치를 혼합한 뒤 구형화하는 것을 포함하는 음극 활물질의 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 구형화 이후 내부 기공을 제거하는 단계를 더 포함하는 음극 활물질의 제조 방법.
  11. 탄소질 코어 및 탄소 코팅층을 포함하며,
    총 기공 부피가 0.003cm3/g 내지 0.010cm3/g인 음극 활물질.
  12. 청구항 11에 있어서,
    BET비표면적이 0.5m2/g 내지 2.0m2/g인 음극 활물질.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 탄소질 코어의 평균 입경(D50)은 7㎛ 내지 25㎛인 음극 활물질.
  14. 청구항 11의 음극 활물질을 포함하는 음극.
  15. 청구항 14의 음극을 포함하는 이차 전지.
KR1020190134845A 2019-10-28 2019-10-28 음극 활물질의 제조 방법, 음극 활물질, 이를 포함하는 음극, 및 상기 음극을 포함하는 이차 전지 KR20210050348A (ko)

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