WO2019240496A1 - 리튬 이차전지용 음극활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 - Google Patents

리튬 이차전지용 음극활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 Download PDF

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active material
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lithium secondary
silicon oxide
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김제영
신선영
이용주
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Definitions

  • the present invention relates to a negative electrode active material for lithium secondary batteries, and more particularly, to a negative electrode active material for lithium secondary batteries having improved life performance and output performance.
  • lithium secondary batteries having high energy density and voltage, long cycle life, and low discharge rate have been commercialized and widely used.
  • the lithium secondary battery has a structure in which an electrolyte containing lithium salt is impregnated in an electrode assembly having a porous separator interposed between a positive electrode and a negative electrode on which an active material is coated on an electrode current collector, and the electrode includes an active material and a binder. And a slurry in which the conductive material is dispersed in a solvent, is applied to the current collector, dried and pressed.
  • the negative electrode active material In order to maximize the performance of the battery, the negative electrode active material requires an electrochemical reaction potential close to lithium metal, high reversibility of reaction with lithium ions, and a fast diffusion rate of lithium ions in the active material. Carbon-based materials are frequently used as materials meeting these requirements.
  • Si-based materials having high theoretical capacities have been applied as negative electrode active materials in fields requiring high capacity batteries such as electric vehicles and hybrid electric vehicles.
  • the Si-based negative electrode active material has a problem in that the crystal structure changes when the lithium is absorbed and stored, and its volume expands. Such volume expansion causes cracking, resulting in fragmentation of the active material particles or poor contact between the active material and the current collector, resulting in shortening of the charge and discharge cycle life of the battery.
  • the silicon oxide of the Si-based anode active material is reported to have less expansion and stable life in the battery reaction than silicon.
  • the low conductivity and specific surface area of silicon oxide and the expansion / contraction involved in charging and discharging there is still no stable life in battery performance.
  • an object of the present invention is to provide a negative electrode active material of silicon oxide material with improved output performance with lifespan performance.
  • Another object of the present invention is to provide a negative electrode including the negative electrode active material and a lithium secondary battery having the same.
  • the silicon oxide has a full width at half maximum (FWHM) range of 2 to 6 in the particle size distribution having an average particle diameter (D50) of 1 to 20 ⁇ m
  • FWHM full width at half maximum
  • D50 average particle diameter
  • the full width at half maximum of the silicon oxide may be in the range of 3 to 5.
  • the silicon oxide may be represented by SiO x (0 ⁇ x ⁇ 2).
  • the particle size distribution of the silicon oxide can be controlled using an air classifying mill.
  • the silicon oxide may be silicon oxide doped with a metal of lithium, magnesium, calcium or aluminum.
  • the silicon oxide may include at least one of primary particles and secondary particles in a form in which the primary particles are aggregated.
  • the negative electrode active material for a lithium secondary battery may further include graphite, soft carbon, hard carbon, or a mixture of two or more thereof.
  • a negative electrode comprising a current collector, and a negative electrode active material layer located on at least one surface of the current collector, the negative electrode active material layer comprises a negative electrode comprising a negative electrode active material as described above, and comprising the same
  • a lithium secondary battery is provided.
  • the negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an aspect of the present invention includes a specific silicon oxide, that is, a silicon oxide having a half width of a peak satisfying a range of 2 to 6 in a particle size distribution having an average particle diameter (D50) of 1 to 20 ⁇ m. It can improve the life performance and output performance of the secondary battery.
  • a specific silicon oxide that is, a silicon oxide having a half width of a peak satisfying a range of 2 to 6 in a particle size distribution having an average particle diameter (D50) of 1 to 20 ⁇ m. It can improve the life performance and output performance of the secondary battery.
  • Figure 1 shows a particle size distribution graph of the silicon oxide for the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention.
  • the negative electrode active material for a lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention contains silicon oxide.
  • the silicon oxide is represented by SiO x (0 ⁇ x ⁇ 2), and may include SiO 2 alone or a nanocomposite structure in which Si and SiO 2 are mixed.
  • the silicon oxide contained in the negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention has an average particle diameter (D50) of 1 to 20 ⁇ m, specifically 3 to 10 ⁇ m, and the full width at half maximum of the peak in the particle size distribution. at half maximum (FWHM) is characterized by satisfying the range of 2 to 6, specifically 3 to 5.
  • the 'average particle diameter (D50)' means a particle diameter in which the volume accumulation based on the particle amount corresponds to 50% in the particle size distribution determined by the laser diffraction particle size distribution measurement.
  • the 'full width at half maximum (FWHM)' is a numerical value of the degree of uniformity of the particle size distribution, for example, after fitting the particle size distribution curve using a Lorentzian distribution method, It can be calculated by finding the width at a point that is 1/2 of the peak in the distribution curve of a single peak.
  • Figure 1 shows a particle size distribution graph of the silicon oxide for the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention.
  • the lifetime and output performance by maintaining the proper contact between the particles and the pores during electrode production Can improve.
  • the full width at half maximum (FWHM) of the silicon oxide particles is less than 2, too many particles of the same size are present so that the contact between the particles and the particles is relatively reduced, thereby deteriorating the life performance. If the full width at half maximum (FWHM) of the silicon oxide particles is greater than 6, the particle size distribution becomes uneven, resulting in excessive increase in contact between the particles and the particles, blocking pores and increasing resistance, thereby lowering the output performance.
  • the silicon oxide particles satisfying the half width (FWHM) of 2 to 6 in the particle size distribution having an average particle diameter (D50) of 1 to 20 ⁇ m are very small particles (fine powder) by an air classifying mill. ) And large particles (macro), which can be silicon oxides sized separately.
  • the airflow classification device is a special pulverizer having a built-in air separator, and is advantageous in controlling particle size by suppressing over-crushing while having high grinding efficiency of materials.
  • the particle size distribution of the substance can be controlled to a desired level by introducing the substance into the air classifier and operating by adjusting the rotational speed of the classifier.
  • the classifier may be operated in the range of 6,000 to 9,000 rpm, specifically 7,000 to 8,000 rpm.
  • the silicon oxide may include silicon oxide doped with a metal of lithium, magnesium, calcium or aluminum to improve initial efficiency and lifespan performance.
  • the doping may be performed by mixing silicon oxide with a metal of lithium, magnesium, calcium or aluminum and then heat treatment.
  • the heat treatment may be performed for 1 to 3 hours at 850 to 1050 °C, specifically 900 to 1000 °C in consideration of the melting point and boiling point of the metal component used for the doping of the silicon oxide.
  • at least one metal powder of lithium, magnesium, calcium and aluminum is 1 to 50% by weight with respect to the content of silicon oxide, so as to exhibit a sufficient initial efficiency improvement effect without significantly reducing the discharge capacity.
  • the silicon oxide may include at least one of the primary particles and secondary particles in the form of aggregated primary particles.
  • the intergranular aggregation may be achieved by the firing result of a carbon-based precursor such as a pitch, such as a pitch, which imparts a binding force.
  • the silicon oxide in the form of the aggregated secondary particles is advantageous for improving the life performance of the lithium secondary battery.
  • the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention may further include graphite, such as natural graphite or artificial graphite, or soft carbon, hard carbon, etc. together with the silicon oxide as described above. That is, the silicon oxide may be used alone or in the form of a mixture with a carbonaceous material.
  • the graphite when graphite is used together with the silicon oxide, the graphite may have an average particle diameter (D50) of 9 to 30 ⁇ m, in detail 10 to 20 ⁇ m, the current collector and the cathode layer when mixed with silicon oxide
  • D50 average particle diameter
  • the graphite may be used such that the weight ratio of graphite and silicon oxide is 99: 1 to 30:70, for example, 95: 5 to 70:30, and in view of maintaining the output performance of the battery and improving the life performance when the above range is satisfied. It is advantageous.
  • Another embodiment of the present invention relates to a negative electrode comprising a negative electrode active material that gives improved life performance and output performance as described above.
  • the negative electrode according to an embodiment of the present invention includes a current collector, and a negative electrode active material layer including a negative electrode active material according to the present invention on at least one surface of the current collector.
  • the electrode layer may be prepared by coating a slurry for the negative electrode active material layer obtained by dispersing a negative electrode active material, a binder, and a conductive material in a solvent on at least one surface of a current collector, followed by drying and rolling.
  • the current collector is not particularly limited as long as it is conductive without causing chemical changes in the battery.
  • copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, carbon, nickel on the surface of copper or stainless steel , Surface treated with titanium, silver, or the like, aluminum-cadmium alloy, or the like can be used.
  • the thickness of the current collector is not particularly limited, but may have a thickness of 3 to 500 ⁇ m that is commonly applied.
  • the negative electrode active material may be included in an amount of 80 wt% to 99 wt% based on the total weight of the negative electrode slurry composition.
  • the binder is a component that assists in the bonding between the conductive material, the active material, and the current collector, and is typically included in an amount of 0.1 to 20% by weight based on the total weight of the negative electrode slurry composition.
  • binders include polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HEP), polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethylmethacrylate.
  • Polyvinyl alcohol Polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyacrylic acid, styrene butyrene rubber (SBR), lithium -Substituted polyacrylates (lithium polyacrylate, Li-PAA) and the like.
  • CMC carboxymethyl cellulose
  • SBR styrene butyrene rubber
  • Li-PAA lithium -Substituted polyacrylates
  • lithium-substituted polyacrylate lithium polyacrylate, Li-PAA
  • Li-PAA lithium polyacrylate
  • SBS / CMC binders
  • This feature is advantageous in that it can be applied to the Si-based negative electrode to achieve a high capacity retention rate during charging and discharging.
  • the conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • Examples of the conductive material include carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, farnes black, lamp black, and thermal black.
  • the conductive material may be added in an amount of 0.1 to 20 wt% based on the total weight of the negative electrode slurry composition.
  • the dispersion medium may include an organic solvent such as water or NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), and in an amount that becomes a desirable viscosity when the negative electrode slurry contains a negative electrode active material, and optionally a binder and a conductive material. Can be used.
  • organic solvent such as water or NMP (N-methyl-2-pyrrolidone)
  • NMP N-methyl-2-pyrrolidone
  • the coating method of the negative electrode slurry is not particularly limited as long as it is a method commonly used in the art.
  • a coating method using a slot die may be used, and in addition, a Mayer bar coating method, a gravure coating method, an immersion coating method, a spray coating method, or the like may be used.
  • the lithium secondary battery may be manufactured by injecting a lithium salt-containing electrolyte into an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode as described above, and a separator interposed therebetween.
  • the positive electrode is a mixture of a positive electrode active material, a conductive material, a binder and a solvent to prepare a slurry and then directly coated it on a metal current collector, or cast on a separate support and laminating the positive electrode active material film peeled from the support to a metal current collector To produce a positive electrode.
  • the active materials used for the positive electrode include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoPO 4 , LiFePO 4, and LiNi 1-xyz Co x M1 y M2 z O 2 (M1 and M2 are independently of each other Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg and Mo, and any one selected from the group consisting of x, y and z independently of each other as the atomic fraction of the elements of the oxide composition 0 ⁇ x ⁇ 0.5, 0 ⁇ y ⁇ 0.5, 0 ⁇ z ⁇ 0.5, 0 ⁇ x + y + z ⁇ 1), and any one active material particles selected from the group consisting of two or more thereof.
  • the conductive material, the binder, and the solvent may be used in the same manner as used in the production of the negative electrode.
  • the separator is a conventional porous polymer film used as a conventional separator, for example, polyolefin-based polymer such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene / butene copolymer, ethylene / hexene copolymer and ethylene / methacrylate copolymer
  • the prepared porous polymer films may be used alone or in a lamination thereof.
  • an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength may be used.
  • the separator may include a safety reinforced separator (SRS) in which a ceramic material is thinly coated on the surface of the separator.
  • a conventional porous nonwoven fabric for example, a non-woven fabric made of high melting glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, etc. may be used, but is not limited thereto.
  • the electrolyte includes a lithium salt and an organic solvent for dissolving it as an electrolyte.
  • the lithium salt may be used without limitation so long as those lithium salts are conventionally used in the electrolyte for secondary batteries.
  • anions of the lithium salt F ⁇ , Cl ⁇ , I ⁇ , NO 3 ⁇ , N (CN) 2 ⁇ , BF 4 -, ClO 4 -, PF 6 -, (CF 3) 2 PF 4 -, (CF 3) 3 PF 3 -, (CF 3) 4 PF 2 -, (CF 3) 5 PF -, (CF 3 ) 6 P -, CF 3 SO 3 -, CF 3 CF 2 SO 3 -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (FSO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, ( CF 3 SO 2) 2 CH - , (SF 5) 3 C -, (CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 (CF 2) 7 SO 3 -, CF 3 CO 2 -, CH 3 CO 2 -,
  • the organic solvent included in the electrolyte may be used without limitation as long as they are conventionally used, and typically propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methylpropyl carbonate, dipropyl carbonate, dimethyl sulfoxide
  • propylene carbonate ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methylpropyl carbonate, dipropyl carbonate, dimethyl sulfoxide
  • One or more types selected from the group consisting of aside, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, vinylene carbonate, sulfolane, gamma-butyrolactone, propylene sulfite and tetrahydrofuran can be used.
  • ethylene carbonate and propylene carbonate which are cyclic carbonates among the carbonate-based organic solvents are highly viscous organic solvents, and thus may be preferably used because they dissociate lithium salts in the electrolyte well.
  • a low viscosity, low dielectric constant linear carbonate, such as carbonate is mixed and used in an appropriate ratio, an electrolyte having high electrical conductivity can be prepared, and thus it can be more preferably used.
  • the electrolyte solution stored according to the present invention may further include additives such as an overcharge inhibitor included in a conventional electrolyte solution.
  • a separator is disposed between a positive electrode and a negative electrode to form an electrode assembly, and the electrode assembly is placed in, for example, a pouch, a cylindrical battery case, or a rectangular battery case, and then an electrolyte is charged.
  • the secondary battery may be completed.
  • the lithium secondary battery may be completed by stacking the electrode assembly and then impregnating it in an electrolyte, and sealing the resultant into a battery case.
  • the lithium secondary battery may be a stack type, a wound type, a stack and folding type or a cable type.
  • the lithium secondary battery according to the present invention may not only be used in a battery cell used as a power source for a small device, but also preferably used as a unit battery in a medium-large battery module including a plurality of battery cells.
  • Preferred examples of the medium-to-large devices include electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, power storage systems, and the like, and are particularly useful for hybrid electric vehicles and renewable energy storage batteries, which require high power. Can be used.
  • SiO particles having an average particle diameter of 5 ⁇ m were introduced into an air classifying mill (TC-15, Nisshin engineering), the apparatus was operated at a rotational speed of 8,000 rpm to remove fine powder and large particles.
  • D 50 SiO primary particles having a thickness of 5 ⁇ m and full width at half maximum (FWHM) 3 were obtained.
  • SiO obtained above as a negative electrode active material, carbon black as a conductive material, and lithium-substituted polyacrylate (lithium polyacrylate, Li-PAA) as a binder were mixed in a weight ratio of 80:10:10, and these were added to distilled water as a dispersion medium.
  • Li-PAA lithium polyacrylate
  • a negative electrode slurry was applied onto a thin copper film having a thickness of 20 ⁇ m as a current collector and dried. The temperature of the air circulated at the time of drying was 60 degreeC. Subsequently, after performing a roll (roll press), and dried in a vacuum oven at 130 °C for 12 hours, it was punched into a circle of 1.4875 cm 2 to prepare a negative electrode.
  • SiO 1 particles having an average particle diameter of 5 ⁇ m were treated with an air classifying mill (rotation speed of 7,000 rpm) to remove fine powder and macromolecules, thereby providing SiO 1 having an average particle diameter of 50 ⁇ m and a width of half width (FWHM) 5.
  • a negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that the secondary particles were obtained.
  • Mg-doped SiO particles having an average particle diameter of 5 ⁇ m were treated with an air classifying mill (rotation speed 8,000 rpm) to remove fine powder and macromolecules, thereby obtaining Mg-doped SiO primary particles (average particle diameter (D 50 )
  • a negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that 5 ⁇ m and a full width at half maximum (FWHM) 3 were obtained.
  • SiO particles with an average particle diameter of 1.5 ⁇ m were treated with an air classifying mill (rotation speed 7,000 rpm) to remove fine powder and macromolecules, and then fired at 850 ° C. under an Ar atmosphere with a pitch for 3 hours. Treated.
  • the pitch was used in an amount of 10 parts by weight based on 100 parts by weight of SiO particles.
  • SiO secondary particles average particle diameter (D 50 ) 6 ⁇ m, full width at half maximum (FWHM) 5
  • agglomerated primary particles were obtained through a carbon-based binder (soft carbon) as a result of the calcination of the pitch. It was.
  • a negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that the SiO secondary particles thus obtained were used for formation of the negative electrode active material layer.
  • a negative electrode was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the SiO primary particles obtained in Example 2 and the natural graphite (particle diameter 16 ⁇ m) were mixed at a weight ratio of 10:90 as the negative electrode active material.
  • SiO 1 having an average particle diameter of 5 ⁇ m was treated with an air classifying mill (rotational speed of 11,000 rpm) to remove fine powder and macromolecules, and thus SiO 1 having an average particle diameter of D 50 of 5 ⁇ m and a half width (FWHM) of 0.5
  • a negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that the secondary particles were obtained.
  • SiO 1 having an average particle diameter of 5 ⁇ m was treated with an air classifying mill (rotational speed of 4,000 rpm) to remove fine powder and macromolecules, and thus, SiO 1 having an average particle diameter (D 50 ) of 5 ⁇ m and a half width (FWHM) 8
  • a negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that the secondary particles were obtained.
  • the capacity retention rate (%) is calculated as follows. The life performance was evaluated.
  • Capacity retention rate (%) (discharge capacity after 50 cycles / discharge capacity in one cycle)
  • the output performance was evaluated by calculating the resistance as follows using the voltage difference generated by discharging at 1 C-rate for 10 seconds under conditions of normal temperature (25 ° C) and SOC (charge depth) of 50%.
  • Table 1 and Table 2 below show the results of performance evaluation of each battery.
  • Cathode active material (SiO only) Output performance 3) Life performance (capacity retention,%) shape Average particle diameter 1 ) ( ⁇ m) Half width (FWHM) 2)
  • Comparative Example 1 SiO primary particles 5 0.5 96 49 Comparative Example 2 SiO primary particles 5 8 91 60 1) Value measured by the Laser Diffraction Method (Microtrac MT 3000) 2) Value calculated by the Lorentzian distribution 3) Output performance was compared using the resistance measurement value of Example 2 as "100" box
  • Cathode active material (mixture of SiO and natural graphite) Output performance Life performance (capacity retention,%) shape

Abstract

본 발명은 규소산화물을 포함하고, 상기 규소산화물은 평균입경(D50)이 1 내지 20 ㎛인 입경 분포에서 피크의 반치폭(full width at half maximum, FWHM)이 2 내지 6의 범위인 리튬 이차전지용 음극활물질, 및 이를 포함하는 음극과 리튬 이차전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 음극활물질은 수명 성능 및 출력 성능 면에서 우수하다.

Description

리튬 이차전지용 음극활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
본 출원은 2018년 06월 12일자로 출원된 한국 특허 출원번호 10-2018-0067287호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 리튬 이차전지용 음극활물질, 보다 상세하게는 수명 성능 및 출력 성능이 개선된 리튬 이차전지용 음극활물질에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 이차 전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 갖고 사이클 수명이 길며, 방전율이 낮은 리튬 이차 전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 전극 집전체 상에 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막이 개재된 전극조립체에 리튬염을 포함하는 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 상기 전극은 활물질, 바인더 및 도전재가 용매에 분산되어 있는 슬러리를 집전체에 도포하고 건조 및 압연(pressing)하여 제조된다.
또한, 리튬 이차전지의 기본적인 성능 특성들인 용량, 출력 및 수명은 음극 재료에 의해서 크게 영향을 받는다. 전지의 성능 극대화를 위해 음극활물질은 전기화학반응 전위가 리튬 금속에 근접해야 하고, 리튬이온과의 반응 가역성이 높아야 하고, 활물질내에서의 리튬 이온의 확산 속도가 빨라야 하는 등의 조건이 요구되는데, 이러한 요구에 부합되는 물질로서 카본계 물질이 많이 사용되고 있다.
상기 카본계 활물질은 안정성과 가역성은 뛰어나지만, 용량적 측면에서 한계가 있다. 따라서, 최근에는 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등 고용량 전지를 필요로 하는 분야에서 이론용량이 높은 Si계 재료를 음극활물질로 적용되고 있다.
그러나, Si계 음극활물질은 리튬을 흡수 저장할 때 결정 구조가 변화하여 그 부피가 팽창하는 문제가 발생한다. 이러한 부피 팽창은 균열을 야기시켜 활물질 입자의 분열이 일어나거나 활물질과 집전체와의 접촉불량 등이 발생하기 때문에 전지의 충·방전 사이클 수명이 짧아지는 문제점을 야기시킨다.
한편, Si계 음극활물질 중에서 규소산화물은 규소에 비해 전지 반응에서 팽창이 적고 안정적인 수명을 보인다고 보고되어 있다. 그러나 규소산화물 특유의 낮은 전도도 및 비표면적 그리고 충방전시 수반되는 팽창/수축으로 인해, 여전히 전지 성능에서 안정된 수명을 보여 주지 못하고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 한 목적은 수명 성능과 함께 출력 성능이 개선된 규소산화물 소재의 음극활물질을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 음극활물질을 포함하는 음극 및 이를 구비한 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 규소산화물을 포함하고, 상기 규소산화물은 평균입경(D50)이 1 내지 20 ㎛인 입경 분포에서 피크의 반치폭(full width at half maximum, FWHM)이 2 내지 6의 범위인 리튬 이차전지용 음극활물질이 제공된다.
상기 규소산화물의 반치폭이 3 내지 5의 범위일 수 있다.
상기 규소산화물은 SiO x(0<x≤2)로 표시될 수 있다.
상기 규소산화물의 입경 분포는 기류 분급 장치(air classifying mill)를 이용하여 조절될 수 있다.
상기 규소산화물은 리튬, 마그네슘, 칼슘 또는 알루미늄의 금속으로 도핑된 규소산화물일 수 있다.
상기 규소산화물은 1차 입자 및 상기 1차 입자가 응집된 형태의 2차 입자 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 리튬 이차전지용 음극활물질은 흑연, 소프트 카본, 하드 카본 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 집전체, 및 상기 집전체의 적어도 일면에 위치된 음극활물질층을 포함하는 음극으로서, 상기 음극활물질층이 전술한 바와 같은 음극활물질을 포함하는 음극, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지가 제공된다.
본 발명의 일 측면에 따른 리튬 이차전지용 음극활물질은 특정의 규소산화물, 즉 평균입경(D50)이 1 내지 20 ㎛인 입경 분포에서 피크의 반치폭이 2 내지 6의 범위를 만족하는 규소산화물을 포함하여 이차전지의 수명 성능 및 출력 성능을 개선할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 음극활물질용 규소산화물의 입경 분포 그래프를 나타낸 것이다.
이하, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이차전지용 음극활물질은 규소산화물을 포함한다.
상기 규소산화물은 SiO x(0<x≤2)로 표시되는 것으로, SiO 2 단독 또는 Si 및 SiO 2가 혼재된 나노복합 구조를 포함할 수 있으며, 규소와 산소의 비율에 의하여 조성(x)이 결정될 수 있다. 예를 들면, 상기 SiO x(0<x≤2) 중에 Si:SiO 2가 1:1의 몰비로 혼재되어 있는 경우, x=1인 SiO로 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 리튬 이차전지용 음극활물질에 포함된 규소산화물은 1 내지 20 ㎛, 상세하게는 3 내지 10 ㎛의 평균입경(D50)을 가지며, 이러한 입경 분포에서 피크의 반치폭(full width at half maximum, FWHM)이 2 내지 6, 상세하게는 3 내지 5의 범위를 만족하는 것을 특징으로 한다.
본원 명세서에서, '평균입경(D50)'은 레이저 회절 입경 분포 측정에 의해 결정된 입경 분포에서 입자량 기준의 체적 누적이 50%에 상당하는 입경을 의미한다.
본원 명세서에서, '반치폭(full width at half maximum, FWHM)'은 입경 분포의 균일성 정도를 수치화한 것으로, 예컨대 로렌츠 분포법(Lorentzian distribution)을 이용하여 입경 분포 곡선을 핏팅(fitting)한 후, 단일 피크(peak)의 분포 곡선에서 피크의 1/2인 점에서 너비를 구함으로써 산출될 수 있다. 이러한 방식으로, 도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 음극활물질용 규소산화물의 입경 분포 그래프를 나타낸 것이다.
본 발명에 따르면, 평균입경(D50)이 1 내지 20 ㎛인 규소산화물 입자가 2 내지 6의 반치폭(FWHM)을 만족할 때, 전극 제작시 적정한 입자와 입자 간의 접촉 및 기공을 유지함으로써 수명 및 출력 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 규소산화물 입자의 반치폭(FWHM)이 2 보다 작은 경우, 동일한 크기의 입자가 너무 많이 존재하여 입자와 입자 간의 접촉이 상대적으로 줄어들게 됨으로써, 수명 성능이 저하된다. 규소산화물 입자의 반치폭(FWHM)이 6 보다 큰 경우, 입경 분포가 불균일해지며, 이로 인해 입자와 입자 간의 접촉이 과도하게 증가하여 기공을 폐색시켜 저항을 증가시킴으로써 출력 성능이 저하된다.
본 발명에서와 같이, 평균입경(D50)이 1 내지 20 ㎛인 입경 분포에서 2 내지 6의 반치폭(FWHM)을 만족하는 규소산화물 입자는 기류 분급 장치(air classifying mill)에 의해 매우 작은 입자(미분) 및 큰 입자(거분)를 분리하여 크기가 조절된 규소산화물일 수 있다. 상기 기류 분급 장치는 분급기(air separator)가 내장된 특수 미분쇄기로서, 물질의 분쇄효율이 높으면서 과분쇄를 억제하여 입경을 조절하는데 유리하다. 이러한 기류 분급 장치에 해당 물질을 투입한 후 상기 분급기의 회전속도를 조절하여 작동시킴으로써 물질의 입경 분포를 원하는 수준으로 제어할 수 있다. 예컨대, 상기 분급기는 6,000 내지 9,000 rpm, 상세하게는 7,000 내지 8,000 rpm의 범위로 작동될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 규소산화물은 초기 효율 및 수명 성능의 향상을 위해 리튬, 마그네슘, 칼슘 또는 알루미늄의 금속으로 도핑된 규소산화물을 포함할 수 있다. 상기 도핑은, 규소산화물을 리튬, 마그네슘, 칼슘 또는 알루미늄의 금속과 혼합한 후 열처리함으로써 수행될 수 있다. 이때, 열처리는 규소산화물의 도핑에 사용되는 금속 성분의 융점과 비점을 고려하여 850 내지 1050℃, 상세하게는 900 내지 1000℃에서 1 내지 3시간 동안 수행될 수 있다. 상기 도핑시에, 리튬, 마그네슘, 칼슘 및 알루미늄 중 1종 이상의 금속 분말은 방전용량을 크게 감소시키지 않으면서 충분한 초기 효율 향상 효과를 발휘할 수 있도록, 규소산화물의 함량에 대해 1 내지 50 중량%, 상세하게는 2 내지 30 중량%, 더 상세하게는 3 내지 20 중량%로 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 규소산화물은 1차 입자 및 상기 1차 입자가 응집된 형태의 2차 입자 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 규소산화물이 2차 입자 형태인 경우, 입자간 응집은 결착력을 부여하는 탄소계 바인더, 예컨대 피치(pitch)와 같은 탄소계 전구체의 소성 결과물에 의해 이루어질 수 있다. 이러한 응집된 2차 입자 형태의 규소산화물은 리튬 이차전지의 수명성능 향상에 유리하다.
추가로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 음극활물질은 상기한 바와 같은 규소산화물과 함께 흑연, 예컨대 천연 흑연 또는 인조 흑연, 또는 소프트 카본, 하드 카본 등을 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 규소산화물이 단독으로 사용되거나, 탄소계 물질과의 혼합물 형태로 사용될 수 있다.
본 발명에서, 상기 규소산화물과 함께 흑연이 사용되는 경우, 상기 흑연은 평균입경(D50)이 9 내지 30 ㎛, 상세하게는 10 내지 20 ㎛ 일 수 있으며, 규소산화물과 혼합시 집전체와 음극층 간의 접착력을 증가시키고, 충방전 과정에서 음극층의 부피팽창을 제어함으로써, 출력 성능의 저하 없이 수명 성능을 더욱 개선시킬 수 있다.
상기 흑연은 흑연 및 규소산화물의 중량비가 99:1 내지 30:70, 예컨대 95:5 내지 70:30 이 되도록 사용될 수 있으며, 상기 범위를 만족할 때 전지의 출력 성능의 유지 및 수명 성능의 향상면에서 유리하다.
본 발명의 다른 일 실시형태는 상기한 바와 같이 개선된 수명 성능 및 출력 성능을 부여하는 음극활물질을 포함하는 음극에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 음극은 집전체, 및 상기 집전체의 적어도 일면에 본 발명에 따른 음극활물질을 포함하는 음극활물질층을 포함한다.
상기 전극층은 본 발명에 따른 음극활물질, 바인더 및 도전재를 용매에 분산시켜 얻은 음극활물질층용 슬러리를 집전체의 적어도 일면에 코팅한 후, 건조 및 압연하여 제조할 수 있다.
상기 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 상기 집전체의 두께는 특별히 제한되지는 않으나, 통상적으로 적용되는 3 ~ 500 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 음극활물질은 음극 슬러리 조성물의 전체 중량을 기준으로 80 중량% 내지 99중량%로 포함될 수 있다.
상기 바인더는 도전재, 및 활물질, 또는 집전체 간의 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 음극 슬러리 조성물 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 20 중량%로 포함된다. 이러한 바인더의 예로는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HEP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 스티렌 부티렌 고무(SBR), 리튬-치환된 폴리아크릴레이트(lithium polyacrylate, Li-PAA) 등을 들 수 있다. 이중에서, 특히 리튬-치환된 폴리아크릴레이트(lithium polyacrylate, Li-PAA)는 활물질 중의 규소 함량이 80% 정도로 높은 음극에 사용될 경우 다른 바인더, 예컨대 SBS/CMC에 비해 우수한 접착력을 부여할 수 있으며, 이러한 특징으로 인해 Si계 음극에 적용되어 충방전시 높은 용량 유지율을 달성할 수 있는 면에서 유리하다.
상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되지는 않으며, 예를 들어, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 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. 상기 도전재는 음극 슬러리 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 20 중량%로 첨가될 수 있다.
상기 분산매는 물 또는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 등의 유기용매를 포함할 수 있으며, 상기 음극 슬러리가 음극활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재 등을 포함할 때 바람직한 점도가 되는 양으로 사용될 수 있다.
또한, 상기 음극 슬러리의 코팅 방법은 당해 분야에서 통상적으로 사용되는 방법이라면 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 슬롯 다이를 이용한 코팅법이 사용될 수도 있고, 그 이외에도 메이어 바 코팅법, 그라비아 코팅법, 침지 코팅법, 분무 코팅법 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시형태는 상기 음극을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다. 구체적으로, 상기 리튬 이차전지는 양극, 상술한 바와 같은 음극, 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체에 리튬염 함유 전해질을 주입하여 제조될 수 있다.
상기 양극은 양극 활물질, 도전재, 바인더 및 용매를 혼합하여 슬러리를 제조한 후 이를 금속 집전체에 직접 코팅하거나, 별도의 지지체상에 캐스팅하고 이 지지체로부터 박리시킨 양극 활물질 필름을 금속 집전체에 라미네이션하여 양극을 제조할 수 있다.
양극에 사용되는 활물질로는 LiCoO 2, LiNiO 2, LiMn 2O 4, LiCoPO 4, LiFePO 4 및 LiNi 1-x-y-zCo xM1 yM2 zO 2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0≤x<0.5, 0≤y<0.5, 0≤z<0.5, 0<x+y+z<1임)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
한편, 도전재, 바인더 및 용매는 상기 음극 제조시에 사용된 것과 동일하게 사용될 수 있다.
상기 세퍼레이터는 종래 세퍼레이터로 사용되는 통상적인 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 필름을 단독 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 또한, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있다. 상기 세퍼레이터는 세퍼레이터 표면에 세라믹 물질이 얇게 코팅된 안정성 강화 세퍼레이터(SRS, safety reinforced separator)을 포함할 수 있다. 이외에도 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전해액은 전해질로서 리튬염 및 이를 용해시키기 위한 유기용매를 포함한다.
상기 리튬염은 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 상기 리튬염의 음이온으로는 F -, Cl -, I -, NO 3 -, N(CN) 2 -, BF 4 -, ClO 4 -, PF 6 -, (CF 3) 2PF 4 -, (CF 3) 3PF 3 -, (CF 3) 4PF 2 -, (CF 3) 5PF -, (CF 3) 6P -, CF 3SO 3 -, CF 3CF 2SO 3 -, (CF 3SO 2) 2N -, (FSO 2) 2N -, CF 3CF 2(CF 3) 2CO -, (CF 3SO 2) 2CH -, (SF 5) 3C -, (CF 3SO 2) 3C -, CF 3(CF 2) 7SO 3 -, CF 3CO 2 -, CH 3CO 2 -, SCN - 및 (CF 3CF 2SO 2) 2N -로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있다.
상기 전해액에 포함되는 유기 용매로는 통상적으로 사용되는 것들이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 대표적으로 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디메틸술폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌카보네이트, 술포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌설파이트 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
특히, 상기 카보네이트계 유기 용매 중 고리형 카보네이트인 에틸렌카보네이트 및 프로필렌카보네이트는 고점도의 유기 용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 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 전해액을 만들 수 있어 더욱 바람직하게 사용될 수 있다.
선택적으로, 본 발명에 따라 저장되는 전해액은 통상의 전해액에 포함되는 과충전 방지제 등과 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지는 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 배치하여 전극 조립체를 형성하고, 상기 전극 조립체를 예를 들어, 파우치, 원통형 전지 케이스 또는 각형 전지 케이스에 넣은 다음, 전해질을 주입하면 이차전지가 완성될 수 있다. 또는 상기 전극 조립체를 적층한 다음, 이를 전해액에 함침시키고, 얻어진 결과물을 전지 케이스에 넣어 밀봉하면 리튬 이차전지가 완성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 리튬 이차전지는 스택형, 권취형, 스택 앤 폴딩형 또는 케이블형일 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있으며, 특히 고출력이 요구되는 영역인 하이브리드 전기자동차 및 신재생 에너지 저장용 배터리 등에 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
실시예 1:
평균입경이 5㎛인 SiO 입자를 기류 분급 장치(air classifying mill)(TC-15, Nisshin engineering)에 투입한 후, 상기 장치를 8,000rpm의 회전속도로 작동시켜 미분과 거분을 제거함으로써, 평균입경(D 50) 5㎛ 및 반치폭(FWHM) 3인 SiO 1차 입자를 얻었다.
음극활물질로서 상기에서 얻은 SiO, 도전재로서 카본블랙, 및 바인더로서 리튬-치환된 폴리아크릴레이트(lithium polyacrylate, Li-PAA)를 80:10:10의 중량비로 혼합하고, 이들을 분산매인 증류수에 첨가하여 음극 슬러리를 수득하였다. 상기 슬러리를 집전체인 두께 20㎛의 구리 박막상에 도포하고 건조하였다. 건조시에 순환되는 공기의 온도는 60℃였다. 이어서, 압연(roll press)을 수행한 후, 130℃의 진공 오븐에서 12시간 동안 건조한 후, 1.4875㎝ 2의 원형으로 타발하여 음극을 제조하였다.
실시예 2:
평균입경이 5㎛인 SiO 입자를 기류 분급 장치(air classifying mill)(회전속도 7,000rpm)로 처리하여 미분과 거분을 제거함으로써, 평균입경(D 50) 5㎛ 및 반치폭(FWHM) 5인 SiO 1차 입자를 얻는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 음극을 제조하였다.
실시예 3:
평균입경이 5㎛인 Mg-도핑된 SiO 입자를 기류 분급 장치(air classifying mill)(회전속도 8,000rpm)로 처리하여 미분과 거분을 제거함으로써, Mg-도핑된 SiO 1차 입자(평균입경(D 50) 5㎛ 및 반치폭(FWHM) 3을 얻는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 음극을 제조하였다.
실시예 4:
평균입경이 1.5㎛인 SiO 입자를 기류 분급 장치(air classifying mill)(회전속도 7,000rpm)로 처리하여 미분과 거분을 제거한 후, 이를 피치(pitch)와 함께 Ar 분위기 하에서 850℃에서 3시간 동안 소성처리하였다. 이때, 상기 피치는 SiO 입자 100 중량부 기준으로 10 중량부의 함량으로 사용하였다. 그 결과, 상기 피치의 소성 결과물인 탄소계 바인더(소프트 카본)를 매개로 하여 1차 입자가 응집된 형태의 SiO 2차 입자 (평균입경(D 50) 6㎛, 반치폭(FWHM) 5)를 수득하였다. 이렇게 하여 수득된 SiO 2차 입자를 음극 활물층의 형성에 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 음극을 제조하였다.
실시예 5:
음극활물질로서 실시예 1에서 얻은 SiO 1차 입자 및 천연 흑연(입경 16㎛)의 10:90(중량비) 혼합물, 도전재로서 카본블랙, 및 바인더로서 카르복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose, CMC) 및 스티렌 부타디엔 고무(styrene budadiene rubber, SBR)을 95.8:1:1.7:1.5의 중량비로 혼합하였다. 상기 혼합물 5g에 증류수 28.9g을 첨가하여 음극 슬러리를 수득하였다. 상기 슬러리를 집전체인 두께 20㎛의 구리 박막상에 도포하고 건조하였다. 건조시 순환되는 공기의 온도는 60℃였다. 이어서, 압연(roll press)을 수행한 후, 130℃의 진공 오븐에서 12시간 동안 건조한 후, 1.4875㎝2의 원형으로 타발하여 음극을 제조하였다.
실시예 6:
음극활물질로서 실시예 2에서 얻은 SiO 1차 입자 및 천연 흑연(입경 16㎛)을 10:90의 중량비로 혼합하여 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 음극을 제조하였다.
비교예 1:
평균입경이 5㎛인 SiO 입자를 기류 분급 장치(air classifying mill)(회전속도 11,000rpm)로 처리하여 미분과 거분을 제거함으로써, 평균입경(D 50) 5㎛ 및 반치폭(FWHM) 0.5인 SiO 1차 입자를 얻는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 음극을 제조하였다.
비교예 2:
평균입경이 5㎛인 SiO 입자를 기류 분급 장치(air classifying mill)(회전속도 4,000rpm)로 처리하여 미분과 거분을 제거함으로써, 평균입경(D 50) 5㎛ 및 반치폭(FWHM) 8인 SiO 1차 입자를 얻는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 음극을 제조하였다.
실험예 : 리튬 이차전지의 성능 평가
실시예 1 내지 6, 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 음극이 포함된 리튬 이차전지에 대해서 출력 및 수명 성능을 평가하였다.
구체적으로, 각 이차전지에 대해서 상온(25℃)에서 2.5 내지 4.2V 구동전압 범위내에서 0.5C/0.5C의 조건으로 충/방전을 50회 실시한 후, 용량 유지율(%)을 다음과 같이 산출하여 수명 성능을 평가하였다.
용량 유지율(%) = (50회 사이클후의 방전 용량 / 1회 사이클의 방전 용량)Х100
한편, 상온(25℃) 및 SOC(충전심도) 50%의 조건하에서 1C-rate로 10초간 방전하여 발생하는 전압차를 이용해 저항을 다음과 같이 산출함으로써, 출력 성능을 평가하였다.
R(저항) = (V max -V min) / I(current)
하기의 표 1 및 표 2에는 각 전지의 성능 평가 결과를 나타내었다.
음극활물질(SiO 단독) 출력 성능 3) 수명 성능(용량유지율, %)
형태 평균입경 1 )(㎛) 반치폭(FWHM) 2)
실시예 1 SiO 1차 입자 5 3 99 69
실시예 2 SiO 1차 입자 5 5 100 70
실시예 3 Mg-도핑된 SiO 입자 5 3 99 88
실시예 4 SiO 1차 입자가 응집된 형태의 2차 입자 6 5 102 80
비교예 1 SiO 1차 입자 5 0.5 96 49
비교예 2 SiO 1차 입자 5 8 91 60
1) 레이저 회절법(Laser Diffraction Method:Microtrac MT 3000)으로 측정한 값2) 로렌츠 분포법(Lorentzian distribution)에 의해 산출한 값3) 출력 성능은 실시예 2의 저항 측정치를 "100"으로 하여 비교함
표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 음극활물질로서 1 내지 20 ㎛ 범위의 평균입경(D50) 및 2 내지 6의 반치폭(FWHM)을 만족하는 SiO 입자가 사용된 실시예 1 내지 4가 상기 범위의 반치폭을 벗어나는 SiO 입자가 사용된 비교예 1 내지 2에 비해 우수한 출력 성능 및 수명 성능을 나타내었다.
음극활물질 (SiO 및 천연 흑연의 혼합물) 출력 성능 수명 성능(용량유지율, %)
형태
실시예 5 SiO 1차 입자(입경 5㎛, FWHM 2 ) 3) 천연흑연 99 85
실시예 6 SiO 1차 입자(입경 5㎛, FWHM 2 ) 5) 천연흑연 100 87
1) 레이저 회절법(Laser Diffraction Method:Microtrac MT 3000)으로 측정한 값2) 로렌츠 분포법(Lorentzian distribution)에 의해 산출한 값3) 출력 성능은 실시예 6의 저항 측정치를 "100"으로 하여 비교함
표 2로부터는, 실시예 5 내지 6에서와 같이 1 내지 20 ㎛ 범위의 평균입경(D50) 및 2 내지 6의 반치폭(FWHM)을 만족하는 SiO 입자가 천연 흑연과 함께 사용된 경우 출력 성능을 유지하면서 수명 성능이 더욱 개선되었음을 확인할 수 있다.

Claims (10)

  1. 규소산화물을 포함하고,
    상기 규소산화물은 평균입경(D50)이 1 내지 20 ㎛인 입경 분포에서 피크의 반치폭(full width at half maximum, FWHM)이 2 내지 6의 범위인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극활물질.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 규소산화물은 평균입경(D50)이 3 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극활물질.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 규소산화물의 반치폭이 3 내지 5의 범위인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극활물질.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 규소산화물은 SiO x(0<x≤2)로 표시되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극활물질.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 규소산화물의 입경 분포는 기류 분급 장치(air classifying mill)를 이용하여 조절되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극활물질.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 규소산화물은 리튬, 마그네슘, 칼슘 또는 알루미늄의 금속으로 도핑된 규소산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극활물질.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 규소산화물은 1차 입자 및 상기 1차 입자가 응집된 형태의 2차 입자 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극활물질.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 이차전지용 음극활물질은 흑연, 소프트 카본, 하드 카본 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 더 포함하는 리튬 이차전지용 음극활물질.
  9. 집전체, 및 상기 집전체의 적어도 일면에 위치된 음극활물질층을 포함하는 음극으로서,
    상기 음극활물질층이 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 리튬 이차전지용 음극활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 음극.
  10. 제9항에 따른 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
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