KR20220010950A - 전극제조용 바인더 조성물, 및 이를 포함하는 이차전지용 전극 - Google Patents
전극제조용 바인더 조성물, 및 이를 포함하는 이차전지용 전극 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20220010950A KR20220010950A KR1020200089723A KR20200089723A KR20220010950A KR 20220010950 A KR20220010950 A KR 20220010950A KR 1020200089723 A KR1020200089723 A KR 1020200089723A KR 20200089723 A KR20200089723 A KR 20200089723A KR 20220010950 A KR20220010950 A KR 20220010950A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrode
- binder
- secondary battery
- composition
- present
- Prior art date
Links
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 title claims abstract description 132
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 89
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims abstract description 44
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 43
- 239000011267 electrode slurry Substances 0.000 claims abstract description 37
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims abstract description 25
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical group O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 9
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 8
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims description 8
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 7
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 125000001931 aliphatic group Chemical group 0.000 claims description 4
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 claims description 4
- 150000004676 glycans Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 4
- 229920000058 polyacrylate Polymers 0.000 claims description 4
- 229920001282 polysaccharide Polymers 0.000 claims description 4
- 239000005017 polysaccharide Substances 0.000 claims description 4
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 claims description 4
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 claims description 4
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 4
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 4
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 4
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 claims description 3
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 claims description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 abstract description 12
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 9
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 abstract description 4
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 230000002411 adverse Effects 0.000 abstract description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 abstract description 3
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 abstract description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 39
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 35
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 11
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 10
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 9
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 7
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 7
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 description 5
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 5
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 5
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 4
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 4
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000000157 electrochemical-induced impedance spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 3
- 235000018102 proteins Nutrition 0.000 description 3
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 3
- 208000033978 Device electrical impedance issue Diseases 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 229910052987 metal hydride Inorganic materials 0.000 description 2
- FHVDTGUDJYJELY-UHFFFAOYSA-N 6-{[2-carboxy-4,5-dihydroxy-6-(phosphanyloxy)oxan-3-yl]oxy}-4,5-dihydroxy-3-phosphanyloxane-2-carboxylic acid Chemical group O1C(C(O)=O)C(P)C(O)C(O)C1OC1C(C(O)=O)OC(OP)C(O)C1O FHVDTGUDJYJELY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000856 Amylose Polymers 0.000 description 1
- 229920001661 Chitosan Polymers 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- 108010010803 Gelatin Proteins 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002319 Poly(methyl acrylate) Polymers 0.000 description 1
- 239000005062 Polybutadiene Substances 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 1
- 229920002125 Sokalan® Polymers 0.000 description 1
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 1
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Natural products C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002174 Styrene-butadiene Substances 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 1
- 229940072056 alginate Drugs 0.000 description 1
- 235000010443 alginic acid Nutrition 0.000 description 1
- 229920000615 alginic acid Polymers 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- BECPQYXYKAMYBN-UHFFFAOYSA-N casein, tech. Chemical class NCCCCC(C(O)=O)N=C(O)C(CC(O)=O)N=C(O)C(CCC(O)=N)N=C(O)C(CC(C)C)N=C(O)C(CCC(O)=O)N=C(O)C(CC(O)=O)N=C(O)C(CCC(O)=O)N=C(O)C(C(C)O)N=C(O)C(CCC(O)=N)N=C(O)C(CCC(O)=N)N=C(O)C(CCC(O)=N)N=C(O)C(CCC(O)=O)N=C(O)C(CCC(O)=O)N=C(O)C(COP(O)(O)=O)N=C(O)C(CCC(O)=N)N=C(O)C(N)CC1=CC=CC=C1 BECPQYXYKAMYBN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- YADSGOSSYOOKMP-UHFFFAOYSA-N dioxolead Chemical compound O=[Pb]=O YADSGOSSYOOKMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 229920000159 gelatin Polymers 0.000 description 1
- 239000008273 gelatin Substances 0.000 description 1
- 235000019322 gelatine Nutrition 0.000 description 1
- 235000011852 gelatine desserts Nutrition 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229920000609 methyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000001923 methylcellulose Substances 0.000 description 1
- 235000010981 methylcellulose Nutrition 0.000 description 1
- 229920001542 oligosaccharide Polymers 0.000 description 1
- 150000002482 oligosaccharides Chemical class 0.000 description 1
- 229920001277 pectin Polymers 0.000 description 1
- 239000001814 pectin Substances 0.000 description 1
- 235000010987 pectin Nutrition 0.000 description 1
- 229920002037 poly(vinyl butyral) polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004584 polyacrylic acid Substances 0.000 description 1
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 description 1
- 229920002857 polybutadiene Polymers 0.000 description 1
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001195 polyisoprene Polymers 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 1
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 1
- 229920002689 polyvinyl acetate Polymers 0.000 description 1
- 239000011118 polyvinyl acetate Substances 0.000 description 1
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 1
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 description 1
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 description 1
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 1
- 238000002336 sorption--desorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 1
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 1
- 125000003011 styrenyl group Chemical group [H]\C(*)=C(/[H])C1=C([H])C([H])=C([H])C([H])=C1[H] 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
- H01M4/621—Binders
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/38—Carbon pastes or blends; Binders or additives therein
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/14—Electrodes for lead-acid accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
- H01M4/624—Electric conductive fillers
- H01M4/625—Carbon or graphite
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/06—Lead-acid accumulators
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
본 발명은 전극제조용 바인더 조성물, 이를 포함하는 전극 슬러리 조성물, 이를포함하는 이차전지용 전극, 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로써, 본 발명에 따른 전극제조용 바인더 조성물은 환경에 악영향을 끼치지 않고 폐기가 용이한 비불소계 화합물을 포함하는 친수성 바인더와 소수성 바인더를 포함하는 복합 바인더로 제조하므로, 환경친화적인 공정을 구현할 수 있고, 상기 바인더 조성물을 포함하는 전극 슬러리 조성물은 이에 포함된 카본 재료가 조성물 내 고르게 분산되어 코팅됨에 따라 카본 재료 간 결합 네트워크를 형성을 유도하므로 카본 재료 간 결합력이 우수한 바, 기존 이차전지 전극에 비해 전기전도도가 우수하고, 결과적으로, 이로 제조된 이차전지는 전지저항이 낮으므로 우수한 수명을 구현할 수 있다 .또한, 전극 슬러리 조성물은 이에 포함된 카본 재료 간의 결합 네트워크를 형성을 유도하면서도 전극층과의 결착력을 향상시킬 수 있으므로, 이를 통해 제조된 이차전지용 전극은 전지에 포함된 전해액의 확산에 방해가 되지 않으면서도 계면저항력이 낮으므로 기존 전극보다 우수한 계면안정성 및 기계적 안정성을 구현할 수 있고, 결과적으로, 이로 제조된 이차전지는 방전용량이 안정적이므로 우수한 수명을 구현할 수 있다.
Description
본 발명은 전극제조용 바인더 조성물, 이를 포함하는 전극 슬러리 조성물, 이를포함하는 이차전지용 전극, 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
자동차에 사용되는 이차전지로는 납축전지를 사용하거나 납축전지와 울트라캐퍼시터(슈퍼캐퍼시터)를 기타 전자장치와 함께 병렬/직렬 연결하여 사용한다. 일반적으로, 울트라캐퍼시터가 고출력을 요구하는 피크 출력(peak power)과 회생제동을 흡수하는 역할을 담당함으로써 납축전지 음극의 설페이션을 방지하여 납축전지의 수명 성능을 향상시킬 수 있다. 그러나, 이 시스템은 가격과 성능면에서는 하이브리드 자동차의 요구 조건을 만족하지만 부피가 크다는 단점이 있었다.
한편, 하이브리드 자동차 시장에서 리튬전지 또는 연료전지가 상용화되기 전의 과도기적 단계에서는 현재까지 주로 니켈-수소전지가 대부분을 차지하고 있다. 니켈-수소전지는 에너지밀도 및 출력밀도가 하이브리드 자동차의 요구 사항에 매우 만족함은 물론이고 수명 성능 역시 뛰어나다. 그러나, 가격면에서 매우 비싸다는 단점을 지니고 있다. 이를 보완하기 위해, 값싸고 에너지밀도가 뛰어난 납축전지와 출력밀도가 뛰어난 울트라캐퍼시터를 조합하여 하이브리드 자동차에서 매우 적합한 성능을 발휘하도록 울트라전지가 개발되고 있다. 울트리전지는 하이브리드 자동차용 전지로써 기존 내연기관에서 사용하는 납축전지와 울트라캐퍼시터를 조합하여 만든 배터리를 일컫는다.
다만, 울트라캐퍼시터와 납 음극 사이의 계면안정성 및 저항성 문제에 문제가 있어 전극의 전기전도도 및 기계적 안정성이 저하되고 있는 실정이었다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 구체적인 목적은 다음과 같다.
본 발명은, 카본 재료 간의 결합력을 제어하는 소수성 바인더와 점도를 제어하고 카본 재료의 분산을 제어하는 친수성 바인더를 포함하는 복합 바인더; 및 용매를 포함하는 전극제조용 바인더 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 바인더 조성물, 및 카본 재료를 포함하는 전극 슬러리 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 전극 슬러리 조성물을 포함하는 이차전지용 전극, 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극제조용 바인더 조성물은 소수성 바인더 및 친수성 바인더를 포함하는 복합 바인더, 및 용매를 포함한다.
상기 전극제조용 바인더 조성물은 상기 소수성 바인더 0.01~50중량%, 상기 친수성 바인더 0.01~50중량%, 및 잔량의 용매를 포함할 수 있다.
상기 소수성 바인더는 지방족 고분자, 및 방향족 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 친수성 바인더는 천연 셀룰로오스, 폴리아크릴레이트계 수지, 다당류, 및 단백질류로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 용매는 증류수, 에탄올, 이소프로판올, 및 메탄올로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 슬러리 조성물은 상기 전극제조용 바인더 조성물, 및 카본 재료를 포함한다.
상기 전극 슬러리 조성물은 상기 바인더 조성물 10~95중량%, 및 상기 카본 재료 5~90중량%를 포함할 수 있다.
상기 바인더 조성물에 포함되어 있는 복합 바인더의 함량은 전체 슬러리 조성물 100중량% 기준 10~20중량%을 포함할 수 있다.
상기 카본 재료의 비표면적은 1~5000m2/g일 수 있다.
상기 카본 재료의 입자직경은 0.01~50μm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극은 제1 전극층; 및 상기 제1 전극층 상에 위치하고, 제6항의 전극 슬러리 조성물을 포함하는 제2 전극층을 포함한다.
상기 제1 전극층은 납(Pb), 및 금(Au)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극층의 두께는 1~100μm 일 수 있다.
상기 제2 전극층의 비표면적은 10~2000m2/g일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 상기 이차전지용 전극을 음극으로 포함한다.
상기 이차전지는 납축전지, 또는 울트라전지일 수 있다.
본 발명에 따른 전극제조용 바인더 조성물은 환경에 악영향을 끼치지 않고 폐기가 용이한 비불소계 화합물을 포함하는 친수성 바인더와 소수성 바인더를 포함하는 복합 바인더로 제조하므로, 환경친화적인 공정을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전극 슬러리 조성물은 이에 포함된 카본 재료가 조성물 내 고르게 분산되어 코팅됨에 따라 카본 재료 간 결합 네트워크를 형성을 유도하므로 카본 재료 간 결합력이 우수한 바, 기존 이차전지 전극에 비해 전기전도도가 우수하고, 결과적으로, 이로 제조된 이차전지는 전지저항이 낮으므로 우수한 수명을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전극 슬러리 조성물은 이에 포함된 카본 재료 간의 결합 네트워크를 형성을 유도하면서도 전극층과의 결착력을 향상시킬 수 있으므로, 이를 통해 제조된 이차전지용 전극은 전지에 포함된 전해액의 확산에 방해가 되지 않으면서도 계면저항력이 낮으므로 기존 전극보다 우수한 계면안정성 및 기계적 안정성을 구현할 수 있고, 결과적으로, 이로 제조된 이차전지는 방전용량이 안정적이므로 우수한 수명을 구현할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라, 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2의 이차전지용 전극 내 제2 전극층의 복합 바인더 함량 별 N2 수착 탈착(Adsorption-Desorption)을 나타낸 그래프이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따라, 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2의 이차전지용 전극 내 제2 전극층의 복합 바인더 함량 별 BET(Brunauer Emmett Teller)를 나타낸 그래프이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따라, 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2의 이차전지용 전극 내 제2 전극층의 복합 바인더 함량 별 총 기공부피(Total pore volume)를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라, 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2의 이차전지용 전극 내 제2 전극층의 복합 바인더 함량 별 SEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라, 실시예 3 및 실시예 4와 비교예 3 및 비교예 4의 이차전지 내 제2 전극층의 복합 바인더 함량 별 PEIS(Potentiostatic electrochemical impedance spectroscopy) 비교 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따라, 실시예 3 및 실시예 4와 비교예 3 및 비교예 4의 이차전지 내 제2 전극층의 복합 바인더 함량 별 주사속도별(도 4a:10mV/s, 도 4b:20mV/s, 도 4c:40mV/s, 도 4d:60mV/s, 도 4e:80mV/s, 도 4f:100mV/s) CV(Cyclic Voltammetry) 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 실시예 3 및 실시예 4와 비교예 3 및 비교예 4의 이차전지 내 제2 전극층의 복합 바인더 함량 별 커패시턴스(capacitance)값을 나타낸 그래프이다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 일 실시예에 따라, 실시예 3 및 실시예 4와 비교예 3 및 비교예 4의 이차전지 내 제2 전극층의 복합 바인더 함량 별 C-rate별(도 6a:0.1C, 도 6b: 0.2C, 도 6c:0.5C, 도 6d:1C, 도 6e:2C, 도 6 f:5C) 방전 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라, 실시예 3 및 실시예 4와 비교예 3 및 비교예 4의 이차전지 내 제2 전극층의 복합 바인더 함량 별 방전 용량을 나타낸 그래프이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따라, 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2의 이차전지용 전극 내 제2 전극층의 복합 바인더 함량 별 BET(Brunauer Emmett Teller)를 나타낸 그래프이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따라, 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2의 이차전지용 전극 내 제2 전극층의 복합 바인더 함량 별 총 기공부피(Total pore volume)를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라, 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2의 이차전지용 전극 내 제2 전극층의 복합 바인더 함량 별 SEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라, 실시예 3 및 실시예 4와 비교예 3 및 비교예 4의 이차전지 내 제2 전극층의 복합 바인더 함량 별 PEIS(Potentiostatic electrochemical impedance spectroscopy) 비교 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따라, 실시예 3 및 실시예 4와 비교예 3 및 비교예 4의 이차전지 내 제2 전극층의 복합 바인더 함량 별 주사속도별(도 4a:10mV/s, 도 4b:20mV/s, 도 4c:40mV/s, 도 4d:60mV/s, 도 4e:80mV/s, 도 4f:100mV/s) CV(Cyclic Voltammetry) 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 실시예 3 및 실시예 4와 비교예 3 및 비교예 4의 이차전지 내 제2 전극층의 복합 바인더 함량 별 커패시턴스(capacitance)값을 나타낸 그래프이다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 일 실시예에 따라, 실시예 3 및 실시예 4와 비교예 3 및 비교예 4의 이차전지 내 제2 전극층의 복합 바인더 함량 별 C-rate별(도 6a:0.1C, 도 6b: 0.2C, 도 6c:0.5C, 도 6d:1C, 도 6e:2C, 도 6 f:5C) 방전 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라, 실시예 3 및 실시예 4와 비교예 3 및 비교예 4의 이차전지 내 제2 전극층의 복합 바인더 함량 별 방전 용량을 나타낸 그래프이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
전극제조용 바인더 조성물
본 발명의 일 실시예에 따른 전극제조용 바인더 조성물은 소수성 바인더, 및 친수성 바인더를 포함하는 복합 바인더; 및 용매를 포함할 수 있고, 바람직하게는, 상기 소수성 바인더 0.01~50중량%, 상기 친수성 바인더 0.01~50중량%, 및 잔량의 용매를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소수성 바인더는 이를 포함하는 전극 슬러리 조성물 내 카본 재료 간의 결합 네트워크 형성을 유도하여 이의 결합력을 제어할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소수성 바인더는 본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 소수성 바인더, 예를 들어, 지방족 고분자, 및 방향족 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 지방족 고분자는 폴리에틸렌, 폴리이소프렌, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral), 및 폴리비닐알코올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 방향족 고분자는 스티렌부타디엔고무(SBR), 폴리스티렌, 및 폴리우레탄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 특정 성분을 포함한 것으로 제한되지 않으나, 바람직하게는 구조가 유연하여 결합력이 뛰어난 스티렌부타디엔고무(SBR)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소수성 바인더의 함량은 전극제조용 바인더 조성물 전체 100중량% 기준 0.01~50중량%일 수 있다. 상기 소수성 바인더의 함량이 0.01중량% 미만이면 결합력이 감소하는 단점이 있고, 50중량%를 초과하면 전극이 응집되어 활성이 저하되는 단점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 친수성 바인더는 점도를 제어하고 카본 재료의 분산을 제어할 수 있는 것으로써, 소수성 주쇄와 친수성 말단기를 포함한 것이라면 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 친수성 바인더는 본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 친수성 바인더, 예를 들어, 천연 셀룰로오스, 폴리아크릴레이트계 수지, 다당류, 및 단백질류로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 폴리아크릴레이트계 수지는 폴리아크릴산, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리비닐아세테이트, 및 폴리아크릴로니트릴로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 다당류 또는 올리고당은 알긴산염, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 녹말, 키토산, 펙틴, 아밀로스, 및 고무으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 단백질류는 젤라틴, 및 카세인염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 특정 성분을 포함한 것으로 제한되지 않으나, 바람직하게는 접착력이 우수한 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 친수성 바인더의 함량은 전극제조용 바인더 조성물 전체 100중량% 기준 0.01~50중량%일 수 있다. 상기 친수성 바인더의 함량이 0.01중량% 미만이면 결합력이 감소하는 단점이 있고, 50중량%를 초과하면 전극이 응집되어 활성이 저하되는 단점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용매는 본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 용매, 예를 들어, 증류수, 에탄올, 이소프로판올, 및 메탄올로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있고, 특정 성분을 포함한 것으로 제한되지 않으나, 바람직하게는 제조가 간편하고 환경적으로도 무해한 증류수일 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전극제조용 바인더 조성물은 환경에 악영향을 끼치지 않고 폐기가 용이한 비불소계 화합물을 포함하는 친수성 바인더와 소수성 바인더를 포함하는 복합 바인더로 제조하므로, 이차전지를 제조할 때, 환경친화적인 공정을 구현할 수 있다는 장점이 있다.
전극 슬러리 조성물
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 슬러리 조성물은 본 발명에 따른 전극제조용소수성 바인더 조성물, 및 카본 재료를 포함할 수 있고, 바람직하게는, 상기 바인더 조성물 10~95중량%, 상기 카본 재료 5~90중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극제조용 바인더 조성물은 상기 내용과 동일하거나 다를 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전극제조용 바인더 조성물의 함량은 전극 슬러리 조성물 전체 100중량% 기준 10~95중량%일 수 있다. 상기 전극제조용 바인더 조성물의 함량이 10중량% 미만이면 결합력이 감소하는 단점이 있고, 95중량%를 초과하면 전극이 응집되어 활성이 저하되는 단점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극제조용 바인더 조성물에 포함되어 있는 복합 바인더의 함량은 전체 슬러리 조성물 100중량% 기준 10~20중량%일 수 있다. 상기 복합 바인더의 함량이 10중량% 미만이면 결합력이 감소하는 단점이 있고, 20중량%를 초과하면 전극이 응집되어 활성이 저하되는 단점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 카본 재료는 이차전지에서 사용할 수 있는 통상의 카본재료 예를 들어, 그래파이트(Graphite), P60 및 Vulcan으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 특정 성분을 포함하는 것으로 제한되지 아니하나, 바람직하게는, 제조 단가가 저렴하고 가공성이 우수한 그래파이트(Graphite), 및 P60을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 전극 슬러리 조성물 내 카본 재료의 비표면적은 1~5000m2/g일 수 있다. 상기 카본 재료의 비표면적이 1m2/g 미만이면 전극 활성도가 충분하지 못한 단점이 있고, 5000m2/g를 초과하면 과도하게 많은 반응 면적으로 인해 활성도가 저하되는 단점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 전극 슬러리 조성물 내 카본 재료의 입자직경은 0.01~50μm일 수 있다. 상기 카본 재료의 입자직경이 0.01μm 미만이면 전기적 활성도가 저하되는 단점이 있고, 50μm를 초과하면 미세 분산성이 저하되는 단점이 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 슬러리 조성물은 카본 재료가 조성물 내 고르게 분산되어 코팅됨에 따라 카본 재료 간 결합 네트워크를 형성을 유도하므로 카본 재료 간 결합력이 우수한 바, 기존 이차전지 전극에 비해 전기전도도가 우수하다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 슬러리 조성물은 전극층과의 결착력을 향상시킬 수 있으므로, 이를 통해 제조된 이차전지용 전극은 전지에 포함된 전해액의 확산에 방해가 되지 않으면서도 기존 전극보다 우수한 계면안정성 및 기계적 안정성을 구현할 수 있다는 장점이 있다.
이차전지용 전극
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극은 제1 전극층; 및 상기 전극층 상에 위치하고, 본 발명에 따른 전극 슬러리 조성물을 포함하는 제2 전극층을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극은 이차전지용 전극 내 음극 또는 양극일 수 있고, 바람직하게는 음극일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극은 납(Pb), 및 금(Au)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 특정 성분을 포함하는 것으로 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극은 제1 전극과 가장 인접하게 배치되어 있고, 바람직하게는 제1 전극층 상에 위치하여 제1 전극층과의 계면안정성 향상시키고 저항성을 억제시킬 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극은 본 발명의 따른 전극 슬러리 조성물을 포함할 수 있고, 상기 전극 슬러리 조성물은 상기 내용과 동일하거나 다를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극은 두께 1~100μm로 제1 전극 상에 코팅되어 위치할 수 있다. 상기 제2 전극의 두께가 1μm 미만이면 코팅시키는 두께 제어가 어려울 뿐만 아니라 카본 재료의 캐퍼시티 특성을 기대할 수 없으며, 100μm를 초과하면 전해액 침투가 원활하지 못하고 술폰산납 생성 억제 제어의 어려운 문제가 발생하여 전극 성능 및 제조에 관한 작업성이 떨어질 수 있는 단점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극의 비표면적은 두께 10~2000m2/g일 수 있다. 상기 제2 전극의 비표면적이 10m2/g 미만이면 전해액 침투가 원활하지 못할 수 있고, 2000m2/g 를 초과하면 카본 재료 간의 결합력이 약해질 수 있고, 이에 따라 이를 포함하는 이차전지용 전극의 기계적 안정성 및 전기전도도가 저하되는 문제가 발생하여 전극 성능이 저하되고, 이차전지용 전극 제조 시 작업성이 떨어질 수 있는 단점이 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극은 상기 제1 전극 및 제2 전극을 포함함에 따라, 기존 이차전지 전극에 비해 전기전도도가 우수할 뿐만 아니라, 기존 전극보다 우수한 계면안정성 및 기계적 안정성을 구현할 수 있다는 장점이 있다.
이차전지
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 본 발명에 따른 이차전지용 전극을 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 일 실시예 따른 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과음극의 접촉을 방지하도록 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 바람직하게는 본 발명에 따른 이차전지용 전극을 음극으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 양극으로 과산화납(PbO2)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 상기 세퍼레이터로 에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 전해질을 더 포함할 수 있고, 바람직하게는, 비중 1 내지 3의 황산 수용액을 사용할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지는 본 발명에 따른 전극제조용 바인더 조성물을 포함하는 전극 슬러리 조성물로 제조한 이차전지용 전극을 음극으로 포함하고 있으므로, 전지저항이 낮으므로, 전기전도도가 우수하고, 방전용량이 안정적이므로 우수한 수명을 구현할 수 있다는 장점이 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 -복합 바인더 10중량%를 포함하는 전극 슬러리 조성물로 이차전지용 전극 제조
소수성 바인더, 및 친수성 바인더를 포함하는 복합 바인더; 및 용매를 포함하는 전극제조용 바인더 조성물을 제조하였다. 구체적으로, 소수성 바인더 스티렌부타디엔고무(SBR) 454.4mg, 친수성 바인더 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 45.45mg, 및 용매 증류수(DI water) 11g을 바이알(VIAL)에 넣고, 1분 내지 12시간 동안, 바람직하게는 1시간 동안 상온에서 교반시켜 전극제조용 바인더 조성물을 제조하였다.
그 다음, 상기 전극제조용 바인더 조성물과 카본 재료를 포함하여, 복합 바인더 10중량%를 포함하는 전극 슬러리 조성물을 제조하였다. 구체적으로, 상기 전극제조용 바인더 조성물에 P60 1.5g, 그래파이트(Graphite) 3g를 넣고 0.1 내지 36시간 동안 바람직하게는 24시간 동안 상온에서 교반시켜 전극제조용 바인더 조성물을 제조하였다.
그 다음, 상기 제조한 전극 슬러리 조성물을 이용하여 이차전지용 전극을 제조하였다. 구체적으로, 납(Pb)를 포함하는 제1 전극층을 준비하고, 상기 전극 슬러리 조성물을 도포시키고 60
건조오븐에서 24시간동안 건조하여, 상기 제1 전극층 상에 두께 100μm, 비표면적 1200m2/g으로 코팅된 제2 전극층을 제조하여, 결과적으로 제1 전극층 및 제1 전극층 상에 위치한 제2 전극층을 포함하는 이차전지용 전극을 제조하였다.
실시예 2 -복합 바인더 20중량%를 포함하는 전극 슬러리 조성물로 이차전지용 전극 제조
실시예 1과 비교했을 때, 전극제조용 바인더 조성물을 제조하는 과정에서, 소수성 바인더 스티렌부타디엔고무(SBR) 1022.8mg, 친수성 바인더 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 102.25mg, 및 용매 증류수(DI water) 11g을 바이알(VIAL)에 넣은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 이차전지용 전극을 제조하였다.
실시예 3 - 실시예 1를 이용한 이차전지 제조
실시예 1과 비교하였을 때, 제1 전극층을 금(Au)을 포함하는 제1 전극층을 준비한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조한 이차전지용 전극을 작업전극으로 사용하였다. 또한, 백금 와이어(Pt wire)를 상대전극으로 사용하였고, Hg/HgSO4를 기준 전극으로 사용하였으며, 전해액은 비중 1.28의 황산 수용액을 사용하여 이차전지를 제조하였다.
실시예 4 - 실시예 2를 이용한 이차전지 제조
실시예 2과 비교하였을 때, 제1 전극층을 금(Au)을 포함하는 제1 전극층을 준비한 것을 제외하고, 실시예 2과 동일하게 제조한 이차전지용 전극을 작업전극으로 사용하였다. 또한, 백금 와이어(Pt wire)를 상대전극으로 사용하였고, Hg/HgSO4를 기준 전극으로 사용하였으며, 전해액은 비중 1.28의 황산 수용액을 사용하여 이차전지를 제조하였다.
비교예 1 -복합 바인더 3중량%를 포함하는 전극 슬러리 조성물로 이차전지용 전극 제조
실시예 1과 비교했을 때, 전극제조용 바인더 조성물을 제조하는 과정에서, 소수성 바인더 스티렌부타디엔고무(SBR) 126.4mg, 친수성 바인더 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 12.65mg, 및 용매 증류수(DI water) 11g을 바이알(VIAL)에 넣은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 이차전지용 전극을 제조하였다.
비교예 2 -복합 바인더 30중량%를 포함하는 전극 슬러리 조성물로 이차전지용 전극 제조
실시예 1과 비교했을 때, 전극제조용 바인더 조성물을 제조하는 과정에서, 소수성 바인더 스티렌부타디엔고무(SBR) 1753.2mg, 친수성 바인더 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 175.3mg, 및 용매 증류수(DI water) 11g을 바이알(VIAL)에 넣은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 이차전지용 전극을 제조하였다.
비교예 3 - 비교예 1를 이용한 이차전지 제조
비교예 1과 비교하였을 때, 제1 전극층을 금(Au)을 포함하는 제1 전극층을 준비한 것을 제외하고, 비교예 1과 동일하게 제조한 이차전지용 전극을 작업전극으로 사용하였다. 또한, 백금 와이어(Pt wire)를 상대전극으로 사용하였고, Hg/HgSO4를 기준 전극으로 사용하였으며, 전해액은 비중 1.28의 황산 수용액을 사용하여 이차전지를 제조하였다.
실시예 4 - 비교예 2를 이용한 이차전지 제조
비교예 2과 비교하였을 때, 제1 전극층을 금(Au)을 포함하는 제1 전극층을 준비한 것을 제외하고, 비교예 2과 동일하게 제조한 이차전지용 전극을 작업전극으로 사용하였다. 또한, 백금 와이어(Pt wire)를 상대전극으로 사용하였고, Hg/HgSO4를 기준 전극으로 사용하였으며, 전해액은 비중 1.28의 황산 수용액을 사용하여 이차전지를 제조하였다.
실험예 1 - 이차전지용 전극의 BET(Brunauer Emmett Teller) 분석
실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2의 이차전지용 전극의 비표면적 및 총 기공부피(Total pore volume)을 확인하기 위해 BET 분석으로 비교분석하고 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1을 참고하면, 복합 바인더의 함량이 증가할수록 제2 전극층의 비표면적과 총 기공부피(Total pore volume)이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 제2 전극층에 포함되어 있는 복합 바인더가 카본 재료 간의 결합 네트워크 형성을 통해 결합력을 향상시켜 카본 재료 간의 빈 공간 및 간격이 채워지고 닫히기 때문에, 비표면적과 총 기공부피(Total pore volume)이 감소하는 것을 의미한다.
즉, 본 발명에 따른 전극 슬러리 조성물은 이에 포함된 카본 재료가 조성물 내 고르게 분산되어 코팅됨에 따라 카본 재료 간 결합 네트워크를 형성을 유도하므로 카본 재료 간 결합력이 우수한 바, 기존 이차전지 전극에 비해 전기전도도가 우수하고, 결과적으로, 이로 제조된 이차전지는 전지저항이 낮으므로 우수한 수명을 구현할 수 있다.
실험예 2 - 이차전지용 전극의 모폴로지(Morphology) 분석
실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2의 이차전지용 전극의 모폴로지(Morphology)를 확인하기 위해, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 비교 분석하고, 그 결과는 도 2에 나타내었다.
도 2를 참고하면, 상대적으로 복합 바인더 함량이 낮은 비교예 1의 이차전지용전극의 SEM 이미지에서는 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 2의 이차전지용 전극의 SEM 이미지보다 기공이 더 많고 카본 재료 간의 결합이 느슨한 구조의 모폴로지(Morphology)를 확인할 수 있다. 이는, 복합 바인더 함량이 높을수록 활물질 간의 결합이 강하게 형성되면서 기공이 줄어들기 때문에, SEM 이미지에서 밀도가 높고 빈 공간이 적은 모폴로지(Morphology)가 나타난다는 것을 의미한다.
즉, 본 발명에 따른 전극 슬러리 조성물은 이에 포함된 카본 재료 간의 결합 네트워크를 형성을 유도하면서도 전극층과의 결착력을 향상시킬 수 있으므로, 이를 통해 제조된 이차전지용 전극은 전지에 포함된 전해액의 확산에 방해가 되지 않으면서도 계면저항력이 낮으므로 기존 전극보다 우수한 계면안정성 및 기계적 안정성을 구현할 수 있고, 결과적으로, 이로 제조된 이차전지는 방전용량이 안정적이므로 우수한 수명을 구현할 수 있다.
실험예 3 - 이차전지의 PEIS(Potentiostatic electrochemical impedance spectroscopy) 분석
실시예 3 및 실시예 4와 비교예 3 및 비교예 4의 이차전지의 저항을 확인하기 위해, 주파수는 1MHz 내지 10mHz, amplitude는 10mV로 교류전류 임피던스를 측정하여 PEIS(Potentiostatic electrochemical impedance spectroscopy)으로 비교 분석하였고, 그 결과는 도 3에 나타내었다.
도 3을 참고하면, 비교예 3의 임피던스가 가장 컸고, 비교예 3 및 실시예 3 및 4는 복합 바인더 함량 증가에 따라 임피던스가 감소하다가 비교예 4에서는 임피던스가 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 이는, 비교예 4의 카본코팅층은 너무 높은 바인더 함량으로 인해 과다하게 촘촘하게 형성된 몰폴로지가 전해액의 침투를 막는 저항의 요소로 작용했다는 것을 의미한다. 따라서, PEIS의 결과를 통해 적절한 양의 복합 바인더는 카본 재료 간의 결합력이 강화되어 전기전도성이 향상될 수 있지만, 과도한 양의 복합 바인더는 전해액의 침투가 어려운 구조의 모폴로지를 형성하여 저항이 증가할 수 있음을 확인할 수 있다.
즉, 적절한 복합 바인더의 함량을 갖는 이차전지용 전극은 전지에 포함된 전해액의 확산에 방해가 되지 않으면서도 계면저항력이 낮으므로 기존 전극보다 우수한 계면안정성 및 기계적 안정성을 구현할 수 있고, 결과적으로, 이로 제조된 이차전지는 방전용량이 안정적이므로 우수한 수명을 구현할 수 있다.
실험예 4 - 이차전지의 CV(Cyclic Voltammetry) 분석
실시예 3 및 실시예 4와 비교예 3 및 비교예 4의 이차전지의 전기화학적 특성 및 커패시턴스(capacitance)를 확인하기 위해, 전압범위는 -0.64 내지 -1.34V, amplitude는 10mV로 측정하였고, 주사속도는 10, 20, 40, 60, 80, 100 mV/s로 각각 평가하여 CV(Cyclic Voltammetry) 분석으로 비교 분석하였고, 그 결과는 도 4와 도 5에 나타내었다.
도 4를 참고하면, CV 곡선의 기울기는 di/dE 로 표현될 수 있는데, 이 값은 저항(dE/di)의 역수이다. 즉, CV 곡선의 기울기가 가파를수록 저항 값이 낮다는 것을 의미하며, 이는 전기전도도가 높다는 것을 의미한다. 비교예 3의 CV 곡선의 기울기가 가장 완만한 것으로 보아 비교예 3의 저항이 가장 크다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실험예 3의 결과와 같은 경향으로, 비교예 3과 실시예 3 및 실시예 4는 복합 바인더 함량 증가에 따라 CV 곡선의 기울기가 가파르게 변하다가, 비교예 4에서는 기울기가 완만해지는 것을 확인할 수 있다.
도 5를 참고하면, 실험예 3과 상기 CV 곡선의 기울기와 같은 경향으로, 비교예 3과 실시예 3 및 실시예 4는 복합 바인더 함량 증가에 따라 커패시턴스(capacitance)값이 증가하였지만, 비교예 4는 커패시턴스(capacitance) 값이 실시예 4보다 낮음을 확인할 수 있었다.
즉, 적절한 복합 바인더의 함량을 갖는 이차전지용 전극은 기존 이차전지 전극에 비해 전기전도도가 우수하므로, 이로 제조된 이차전지는 전지저항이 낮으므로 우수한 수명을 구현할 수 있고, 적절한 복합 바인더의 함량을 갖는 이차전지용 전극은 기존 전극보다 우수한 계면안정성 및 기계적 안정성을 구현할 수 있으므로, 이로 제조된 이차전지는 방전용량이 안정적이므로 우수한 수명을 구현할 수 있다.
실험예 5 - 이차전지의 C-rate별 방전성능 분석
실시예 3 및 실시예 4와 비교예 3 및 비교예 4의 이차전지의 방전성능을 분석하기 위해, 전지를 완전 충전한 후 정전류로 셀 전압이 1.75가 될 때까지 방전하여 초기 C-rate별 방전성능을 평가하고, 그 결과를 도 6과 도 7에 나타내었다.
도 6과 7을 참고하면, 실험예 3 및 실험예 4에서 가장 낮은 저항과 높은 커패시턴스(capacitance) 값을 나타내었던 실시예 2의 방전 용량이 가장 큼을 확인할 수 있다. 또한, 복합 바인더 함량별 방전 용량의 경향이 실험예 3 및 실험예 4 에서 얻은 결과의 경향과 같음을 확인할 수 있다.
이러한 결과를 통해, 복합 바인더가 카본 재료 간의 결합 네트워크를 형성하여 결합력이 우수한 제2 전극층을 형성하기 때문에 높은 전기전도성을 구현하지만, 복합 바인더가 과량으로 도입될 경우에는 모폴로지가 매우 밀집하게 형성되어 전해액의 침투를 막고 전기화학적 반응을 방해하는 원인이 될 수 있음을 확인할 수 있다.
즉, 적절한 복합 바인더의 함량을 갖는 이차전지용 전극은 기존 이차전지 전극에 비해 전기전도도가 우수하므로, 이로 제조된 이차전지는 전지저항이 낮으므로 우수한 수명을 구현할 수 있고, 적절한 복합 바인더의 함량을 갖는 이차전지용 전극은 기존 전극보다 우수한 계면안정성 및 기계적 안정성을 구현할 수 있으므로, 이로 제조된 이차전지는 방전용량이 안정적이므로 우수한 수명을 구현할 수 있다.
Claims (16)
- 소수성 바인더 및 친수성 바인더를 포함하는 복합 바인더; 및
용매를 포함하는 전극제조용 바인더 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 소수성 바인더 0.01~50중량%;
상기 친수성 바인더 0.01~50중량%; 및
잔량의 용매를 포함하는 전극제조용 바인더 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 소수성 바인더는 지방족 고분자, 및 방향족 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 전극제조용 바인더 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 친수성 바인더는 천연 셀룰로오스, 폴리아크릴레이트계 수지, 다당류, 및 단백질류로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 전극제조용 바인더 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 용매는 증류수, 에탄올, 이소프로판올, 및 메탄올로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 전극제조용 바인더 조성물. - 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 바인더 조성물; 및
카본 재료를 포함하는 전극 슬러리 조성물. - 제6항에 있어서,
상기 바인더 조성물 10~95중량%; 및
상기 카본 재료 5~90중량%를 포함하는 전극 슬러리 조성물. - 제6항에 있어서,
상기 바인더 조성물에 포함되어 있는 복합 바인더의 함량은 전체 슬러리 조성물 100중량% 기준 10~20중량%을 포함하는 슬러리 조성물. - 제6항에 있어서,
상기 카본 재료의 비표면적은 1~5000m2/g인 것인 전극 슬러리 조성물. - 제6항에 있어서,
상기 카본 재료의 입자직경은 0.01~50μm인 것인 전극 슬러리 조성물. - 제1 전극층; 및
상기 제1 전극층 상에 위치하고, 제6항의 전극 슬러리 조성물을 포함하는 제2 전극층;
을 포함하는 이차전지용 전극. - 제11항에 있어서,
상기 제1 전극층은 납(Pb), 및 금(Au)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 이차전지용 전극. - 제11항에 있어서,
상기 제2 전극층의 두께는 1~100μm 인 것인 이차전지용 전극. - 제11항에 있어서,
상기 제2 전극층의 비표면적은 10~2000m2/g인 것인 이차전지용 전극. - 제11항의 이차전지용 전극을 음극으로 포함하는 이차전지.
- 제15항에 있어서,
납축전지, 또는 울트라전지인 이차전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200089723A KR20220010950A (ko) | 2020-07-20 | 2020-07-20 | 전극제조용 바인더 조성물, 및 이를 포함하는 이차전지용 전극 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200089723A KR20220010950A (ko) | 2020-07-20 | 2020-07-20 | 전극제조용 바인더 조성물, 및 이를 포함하는 이차전지용 전극 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220010950A true KR20220010950A (ko) | 2022-01-27 |
Family
ID=80049650
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200089723A KR20220010950A (ko) | 2020-07-20 | 2020-07-20 | 전극제조용 바인더 조성물, 및 이를 포함하는 이차전지용 전극 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20220010950A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160062065A (ko) | 2013-09-20 | 2016-06-01 | 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 | 통합된 정전 척을 갖는 기판 캐리어 |
-
2020
- 2020-07-20 KR KR1020200089723A patent/KR20220010950A/ko active Search and Examination
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160062065A (ko) | 2013-09-20 | 2016-06-01 | 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 | 통합된 정전 척을 갖는 기판 캐리어 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9450232B2 (en) | Process for producing negative plate for lead storage battery, and lead storage battery | |
| US10978695B2 (en) | Anode active material and anode for lithium-ion battery, method for preparing the anode active material, and lithium-ion battery | |
| US9025312B2 (en) | Electric double layer capacitor | |
| US8753780B2 (en) | Electrode including barrier layer containing two conductive powders with different particle diameters and method for producing the same | |
| JP4523580B2 (ja) | 二次電池用負極活物質及びそれらを生成するための中間の混練物 | |
| US5348820A (en) | Zinc electrode for alkaline storage battery | |
| JP4053272B2 (ja) | 鉛蓄電池用負極 | |
| US4085241A (en) | Inorganic-organic separators for alkaline batteries | |
| KR20220010950A (ko) | 전극제조용 바인더 조성물, 및 이를 포함하는 이차전지용 전극 | |
| JP5396216B2 (ja) | 鉛蓄電池 | |
| KR101953114B1 (ko) | Isg 시스템용 울트라 전지의 전극 및 이의 제조방법 | |
| CN115224240A (zh) | 硅基负极及其制备方法 | |
| KR102188237B1 (ko) | 전해액 함침성이 우수한 전극을 제조할 수 있는 슈퍼커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법을 이용하여 제조된 슈퍼커패시터 | |
| JP5195117B2 (ja) | 電気二重層キャパシタ用電極および電気二重層キャパシタ | |
| CN110931748A (zh) | 一种自修复水凝胶、硅基负极材料及其制备方法和锂电池 | |
| KR102683933B1 (ko) | 고용량 에너지 저장 장치 및 그 제조방법 | |
| JP2001316655A (ja) | 導電性接着剤およびその製造方法 | |
| JP5003907B2 (ja) | 電気二重層キャパシタ用電極および電気二重層キャパシタ | |
| CN1266789C (zh) | 多孔电极及具有该电极的锂二次电池 | |
| JP4239510B2 (ja) | 鉛蓄電池およびその製造方法 | |
| KR20230096732A (ko) | 이차전지용 전극 및 이의 제조 방법 | |
| JP3243620B2 (ja) | アルカリ蓄電池用亜鉛負極及びその製造方法 | |
| CN1331497A (zh) | 氢吸收合金电极、其制造方法和碱性蓄电池 | |
| CN118213474A (zh) | 锂二次电池用负极及包括其的锂二次电池 | |
| KR20230071054A (ko) | 음극 슬러리 제조방법, 음극 제조방법 및 이차전지 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination |