WO2021066557A1 - 전극 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

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WO2021066557A1
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carbon nanotube
active material
electrode active
nanotube structure
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PCT/KR2020/013394
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최순형
김용준
김태곤
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주식회사 엘지화학
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    • 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
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    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
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    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028—Positive electrodes

Definitions

  • the present invention includes an electrode active material layer, the electrode active material layer includes an electrode active material and a conductive material, the conductive material, graphene; A carbon nanotube structure in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units are bonded to each other; And carbon black, wherein the carbon nanotube structure relates to an electrode contained in an amount of 0.01% to 0.5% by weight in the electrode active material layer, and a secondary battery including the same.
  • a lithium secondary battery includes a positive electrode including a positive electrode active material capable of intercalating/detaching lithium ions, a negative electrode including a negative active material capable of intercalating/deintercalating lithium ions, and an electrode with a microporous separator interposed between the positive electrode and the negative electrode. It means a battery in which a non-aqueous electrolyte containing lithium ions is contained in the assembly.
  • the electrode active material alone cannot ensure the conductivity of the electrode, there is a problem in that the resistance of the battery is too high, and the electrode typically additionally includes a conductive material.
  • a conductive material Conventionally, point-type conductive materials such as carbon black have been mainly used, and linear conductive materials such as carbon nanotubes and carbon nanofibers are also used in order to further improve conductivity to improve battery capacity.
  • the single-walled carbon nanotube is one of the above linear conductive materials, and improves conductivity in the electrode active material layer based on its elongated shape.
  • the single-walled carbon nanotubes were completely dispersed to prepare a dispersion containing single-walled carbon nanotubes units in which the single-walled carbon nanotubes units exist in a single strand, and then an electrode slurry was prepared through the dispersion.
  • An electrode active material layer was prepared through the electrode slurry. Accordingly, the single-walled carbon nanotubes exist as a unit (single strand) in the electrode active material layer.
  • the surface of the single-walled carbon nanotube unit is damaged or the single-walled carbon nanotube unit is cut off, so that it is difficult to maintain a conductive network in the electrode active material layer. Accordingly, the conductive network is blocked or reduced, which degrades the life characteristics of the battery.
  • One problem to be solved by the present invention is to provide an electrode capable of suppressing damage to an electrode active material, lowering electrode resistance, and improving lifespan characteristics of a battery.
  • Another problem to be solved by the present invention is to provide a secondary battery including the electrode.
  • an electrode active material layer is included, the electrode active material layer includes an electrode active material and a conductive material, and the conductive material is graphene; A carbon nanotube structure in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units are bonded to each other; And carbon black, wherein the carbon nanotube structure is provided with an electrode contained in an amount of 0.01% to 0.5% by weight in the electrode active material layer.
  • a secondary battery including the electrode is provided.
  • the electrode according to the present invention includes a carbon nanotube structure in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units are bonded to each other, a conductive network can be maintained smoothly. Accordingly, the resistance of the electrode can be maintained at a low level, and the life characteristics of the battery can be improved.
  • the carbon nanotube structure is present in the electrode in the form of a long rope, even if the battery is continuously charged and discharged, a decrease in conductivity due to damage to the carbon nanotube structure can be suppressed, and a long conductive network can be formed. Can be formed.
  • the electrode since the electrode includes graphene, the resistance of the electrode may be further reduced based on the excellent electrical conductivity of the graphene.
  • the conductive network may be formed evenly over the entire electrode according to the combination of the graphene and the carbon nanotube structure.
  • the graphene since the graphene is present while covering at least a portion of the carbon nanotube structure, a close conductive network can be maintained even during repeated charging and discharging of the battery. Accordingly, the life characteristics of the battery may be improved.
  • the electrode of the present invention includes carbon black, damage to the electrode active material may be suppressed based on the low hardness of the carbon black during electrode rolling. Accordingly, the life performance of the battery may be improved.
  • FIG. 1 is a SEM photograph of a conventional multi-walled carbon nanotube unit (A) and a carbon nanotube structure (B, C) used in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a TEM photograph of a carbon nanotube structure (A) used in an embodiment of the present invention and a completely dispersed single-walled carbon nanotube unit (B) that has been used in the past.
  • FIG. 3 is a SEM photograph of an electrode of an example of the present invention.
  • the "specific surface area” is measured by the BET method, and specifically, may be calculated from the amount of nitrogen gas adsorption under liquid nitrogen temperature (77K) using BELSORP-mini II of BEL Japan.
  • the average particle diameter (D 50 ) may be defined as a particle diameter corresponding to 50% of the cumulative volume in the particle diameter distribution curve of the particles.
  • the average particle diameter (D 50 ) can be measured using, for example, a laser diffraction method.
  • the laser diffraction method can measure a particle diameter of about several mm from a submicron region, and high reproducibility and high resolution results can be obtained.
  • the single-walled carbon nanotube unit refers to a unit in the form of a tube with one wall composed of carbon atoms
  • the multi-walled carbon nanotube unit is a unit in the form of a tube in which several walls composed of carbon atoms are stacked in one tube. Means.
  • graphene refers to a carbonaceous structure in which one graphite surface or a plurality of graphite surfaces are stacked, has flexibility, and is in the form of a thin film.
  • the electrode according to the present invention includes an electrode active material layer, the electrode active material layer includes an electrode active material and a conductive material, and the conductive material includes graphene; A carbon nanotube structure in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units are bonded to each other; And carbon black; wherein the carbon nanotube structure may be included in an amount of 0.01% to 0.5% by weight in the electrode active material layer.
  • the electrode may include an electrode active material layer.
  • the electrode may further include a current collector, in which case the electrode active material layer may be disposed on one or both surfaces of the current collector.
  • the current collector is not particularly limited as long as it is a conductive material without causing chemical changes to the battery, for example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, alloys thereof, carbon, nickel, titanium on the surface thereof. , A surface-treated with silver or the like, or calcined carbon, etc. may be used.
  • the current collector may generally have a thickness of 3 ⁇ m to 500 ⁇ m, and fine unevenness may be formed on the surface of the current collector to enhance the bonding strength of the negative electrode active material.
  • the electrode current collector may be used in various forms, such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous material, a foam, and a nonwoven fabric.
  • the electrode active material layer may include an electrode active material and a conductive material.
  • the electrode active material may be a positive electrode active material or negative electrode active materials generally used in the art, and the type is not particularly limited.
  • lithium oxide including lithium and at least one metal such as cobalt, manganese, nickel or aluminum
  • the lithium oxide is a lithium-manganese-based oxide (eg, LiMnO 2 , LiMn 2 O, etc.), a lithium-cobalt-based oxide (eg, LiCoO 2, etc.), a lithium-nickel-based oxide (eg For example, LiNiO 2 ), lithium-nickel-manganese oxide (e.g., LiNi 1-Y1 Mn Y1 O 2 (here, 0 ⁇ Y1 ⁇ 1), LiNi Z1 Mn 2-Z1 O 4 (here, 0 ⁇ Z1 ⁇ 2), lithium-nickel-cobalt oxide (e.g., LiNi 1-Y2 Co Y2 O 2 (here, 0 ⁇ Y2 ⁇ 1), etc.), lithium-manganese-cobalt oxide ( For example, LiCo 1-Y3 Mn Y3 O 2 (
  • examples of the negative electrode active material include carbonaceous materials such as artificial graphite, natural graphite, graphitized carbon fiber, and amorphous carbon; Metal compounds capable of alloying with lithium such as Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si alloy, Sn alloy, or Al alloy; Metal oxides capable of doping and undoping lithium such as SiO v (0 ⁇ v ⁇ 2), SnO 2, vanadium oxide, and lithium vanadium oxide; Or a composite including the metal compound and a carbonaceous material, such as a Si-C composite or a Sn-C composite, and any one or a mixture of two or more of them may be used.
  • a metal lithium thin film may be used as the negative electrode active material.
  • the carbon material both low crystalline carbon and high crystalline carbon may be used.
  • the electrode active material may be included in an amount of 70 wt% to 99.5 wt%, preferably 80 wt% to 99 wt%, based on the total weight of the electrode active material layer.
  • excellent energy density, electrode adhesion, and electrical conductivity may be implemented.
  • the conductive material may include graphene, a carbon nanotube structure, and carbon black.
  • the graphene is mainly disposed on the surface of an electrode active material, and contributes to forming a conductive network between adjacent electrode active materials.
  • the graphene may include a structure in which 1 to 1,000 graphite surfaces are stacked, and specifically, the stacked graphite surface may be 1 to 500, and more specifically, 1 to 100.
  • the above range is satisfied, high-quality graphene characteristics having flexibility may be utilized due to a thin thickness, and it is easy to uniformly distribute the graphene in the electrode active material layer.
  • the electrical conductivity of the electrode active material layer can be greatly improved.
  • the graphene may have an average length of 0.1 ⁇ m to 100 ⁇ m, specifically 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m, and more specifically 0.1 ⁇ m to 5 ⁇ m. When the above range is satisfied, the graphene may be present while covering the electrode active material at an appropriate level. In addition, since the graphene covers at least a portion of the carbon nanotube structure, it may be further suppressed that the carbon nanotube structure is separated from the electrode active material. For this reason, conductivity between the electrode active material and the electrode active material may be improved.
  • the average length corresponds to the average value of the lengths of the upper 100 graphenes with a large length and the lower 100 graphenes with a shorter length observed through SEM or TEM.
  • the length of the graphene refers to the longest length assuming a line connecting one point in one graphene to another.
  • the graphene may have an average thickness of 0.3 nm to 300 nm, specifically 1 nm to 100 nm, and more specifically 1 nm to 50 nm. If the above range is satisfied, the graphene can better wrap the electrode active material by utilizing high-quality graphene characteristics having flexibility due to a thin thickness, and the graphene is uniformly dispersed in the electrode active material layer. It is easy to become. In addition, even if a low content of graphene is used, the electrical conductivity of the electrode active material layer can be greatly improved.
  • the average thickness corresponds to the average value of the thickness of the upper 100 graphenes having a large thickness and the lower 100 graphenes having a small thickness observed through SEM or TEM.
  • the BET specific surface area of the graphene may be 100m 2 /g to 500m 2 /g, specifically 100m 2 /g to 400m 2 /g, more specifically 100m 2 /g to 300m 2 /g have.
  • the BET specific surface area may be measured through a nitrogen adsorption BET method.
  • the graphene may be included in an amount of 0.01% to 1.0% by weight in the electrode active material layer, specifically 0.05% to 0.5% by weight, and more specifically 0.1% to 0.5% by weight. If the above range is satisfied, the adhesion and electrical conductivity of the electrode can be greatly improved, and the input/output characteristics and life characteristics of the battery can be improved even by applying a small amount of graphene.
  • the carbon nanotube structure may include a plurality of single-walled carbon nanotube units.
  • the carbon nanotube structure may be a carbon nanotube structure in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units are bonded side by side with each other. More specifically, in consideration of the durability and conductive network of the electrode, the carbon nanotube structure is 2 to 4,500, preferably 50 to 4,000, more preferably 1,000 to 4,000 single-walled carbon nanotubes Most preferably, it is a carbon nanotube structure in which units are bonded to each other.
  • the single-walled carbon nanotube units are arranged side by side and combined (long axes of the units are combined in parallel to each other to have a flexible cylindrical structure) to form the carbon nanotube structure.
  • the carbon nanotube structures may be connected to each other to represent a network structure.
  • Conventional electrodes including carbon nanotubes are generally bundled or entangled type carbon nanotubes (single-walled carbon nanotube units or multi-walled carbon nanotube units attached to each other or entangled). ) Is dispersed in a dispersion medium to prepare a conductive material dispersion, and then prepared using the conductive material dispersion. In this case, the carbon nanotubes are completely dispersed in the conventional conductive material dispersion, and exist as a conductive material dispersion in which single-stranded carbon nanotube units are dispersed. In the conventional conductive material dispersion, the carbon nanotube units are easily cut by an excessive dispersing process to have a shorter length compared to the initial stage.
  • the carbon nanotube units can be easily cut during the electrode rolling process.
  • the carbon nanotube units especially, single-walled carbon nanotube units
  • the structure is high due to the mechanism of node growth (not smooth linear, but due to defects occurring in the growth process). Therefore, during the dispersion process, the multi-walled carbon nanotube unit is more easily cut (see Fig.
  • the multi-walled multi-walled unit is cut short by ⁇ - ⁇ stacking due to the carbon surface bonding structure (sp2) of the unit.
  • Carbon nanotube units are likely to be aggregated with each other. Accordingly, it is difficult to more evenly disperse and exist in the electrode slurry.
  • the carbon nanotube structures are connected to each other in the electrode to have a network structure, it is possible to prevent cracks from occurring by suppressing excessive volume change of the electrode active material and secure a strong conductive network.
  • the carbon nanotube structure crosses the crack and connects the electrode active material, so that a conductive network can be maintained.
  • the carbon nanotube structure is not easily broken and can maintain a long shape, a conductive network can be strengthened over the entire electrode active material layer. In addition, desorption of the electrode active material is suppressed, and thus electrode adhesion can be greatly improved.
  • the carbon nanotube structure has a long length and a long length of conductivity through a network structure. It can contribute to securing.
  • the graphene is present while covering at least a part of the carbon nanotube structure, the conductive network can be closely maintained even during repeated charging and discharging of the battery.
  • the entire conductive material content can be reduced, and a close and uniform conductive network can be formed throughout the electrode active material layer, so the input/output characteristics and lifespan of the battery The properties can be greatly improved.
  • the average diameter of the single-walled carbon nanotube unit may be 0.5nm to 5nm, specifically 1nm to 5nm. When the average diameter is satisfied, there is an effect of maximizing the conductivity in the electrode even with a very small amount of the conductive material.
  • the average diameter corresponds to the average value of the upper 100 single-walled carbon nanotube units and the lower 100 single-walled carbon nanotube units having a larger diameter when the prepared electrode is observed through TEM.
  • the average length of the single-walled carbon nanotube unit may be 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, and specifically 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the average length corresponds to the average value of the upper 100 single-walled carbon nanotube units and the lower 100 single-walled carbon nanotube units having a larger length when the prepared electrode is observed through TEM.
  • the specific surface area of the single-walled carbon nanotube unit may be 500 m 2 /g to 1,000 m 2 /g, and specifically 600 m 2 /g to 800 m 2 /g. When the above range is satisfied, a conductive path in the electrode can be smoothly secured due to a large specific surface area, and thus there is an effect of maximizing the conductivity in the electrode even with a very small amount of the conductive material.
  • the specific surface area of the single-walled carbon nanotube unit may be specifically calculated from the nitrogen gas adsorption amount under liquid nitrogen temperature (77K) using BELSORP-mini II of BEL Japan.
  • the average diameter of the carbon nanotube structure may be 2nm to 200nm, specifically 5nm to 150nm, and more specifically 50nm to 120nm. When the above range is satisfied, it is effective in forming a conductive network structure, and is advantageous in connecting active materials, thereby implementing excellent electrical conductivity.
  • the average length corresponds to the average value of the diameters of the upper 100 carbon nanotube structures and the lower 100 carbon nanotube structures having a large diameter when the prepared electrode is observed through SEM.
  • the average length of the carbon nanotube structure may be 1 ⁇ m to 500 ⁇ m, specifically 5 ⁇ m to 100 ⁇ m, and more specifically 10 ⁇ m to 70 ⁇ m. When the above range is satisfied, it is effective to form a conductive network, and it is advantageous to connect electrode active materials, thereby implementing excellent electrical conductivity.
  • the average length corresponds to an average value of the lengths of the upper 100 carbon nanotube structures and the lower 100 carbon nanotube structures having a large length when the prepared electrode is observed through SEM.
  • the carbon nanotube structure may be included in an amount of 0.01% to 0.5% by weight in the electrode active material layer, specifically 0.01% to 0.15% by weight, and more specifically 0.01% to 0.1% by weight. have.
  • a conductive path of the electrode is secured, so that the life characteristics of the battery can be improved while maintaining a low level of electrode resistance.
  • the conductive material dispersion is prepared, when the bundled carbon nanotubes are completely dispersed (as a general dispersion method, the carbon nanotubes are dispersed so that they are separated from each other), the carbon nanotube structure does not occur, or even if it occurs unintentionally. It occurs in very small amounts (eg 0.0005% by weight).
  • the above content range can never be achieved by a general method. Since the carbon nanotube structure has a form in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units are arranged side by side and bonded to each other, the carbon nanotube structure is not cut and the length can be maintained smoothly even when the volume of the electrode active material is changed. have. Accordingly, the conductivity of the electrode can be maintained, and the conductivity of the electrode can be smoothly secured based on the high conductivity of the carbon nanotube structure. Accordingly, even if the content of the carbon nanotube structure in the electrode is at a low level, the input/output characteristics and life characteristics of the battery may be excellent.
  • the single-walled carbon nanotube unit may be surface-treated through oxidation treatment or nitriding treatment to improve affinity with a dispersant.
  • the carbon black may serve to lower the resistance in the electrode and at the same time serve to suppress damage to the electrode active material during electrode rolling.
  • the average particle diameter (D 50 ) of the carbon black may be 1 nm to 500 nm, specifically 10 nm to 250 nm, and more specifically 20 nm to 200 nm. When the above range is satisfied, damage to the electrode active material may be minimized during electrode rolling by the carbon black, and formation of a short-length conductive network may be facilitated.
  • the carbon black may be included in an amount of 0.01% to 1% by weight in the electrode active material layer, specifically 0.05% to 1% by weight, more specifically 0.05% to 0.5% by weight. When the above range is satisfied, damage to the electrode active material may be minimized during electrode rolling by the carbon black, and formation of a short-length conductive network may be facilitated.
  • the weight ratio of the graphene, the carbon nanotube structure, and the carbon black may be 0.01 to 3: 0.01 to 0.5: 0.1 to 10, specifically 0.01 to 2: 0.03 to 0.5: 0.1 to 5, and more Specifically, it may be 0.05 to 1: 0.05 to 0.5: 0.1 to 1.
  • the graphene, the carbon nanotube structure, and the carbon black may form a structure as shown in FIG. 3 with an electrode active material in an electrode.
  • the carbon nanotube structure has a long length and connects the electrode active materials and is connected to each other to form a network structure.
  • the graphene covers a part of the nanotube structure to reinforce the conductive connection by the carbon nanotube structure and form an overall conductive network intimately.
  • the carbon black is disposed on the electrode active material, the graphene, and the carbon nanotube structure, and performs a kind of buffering role to prevent damage to the electrode active material during electrode rolling.
  • the electrode active material layer may further include a binder.
  • the binder is for securing adhesion between electrode active materials or between the electrode active material and the current collector, and general binders used in the art may be used, and the type is not particularly limited.
  • the binder for example, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, starch, hydroxypropyl cellulose, recycled Cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR) ), fluorine rubber, or various copolymers thereof, and one of them alone or a mixture of two or more thereof may be used.
  • PVDF-co-HFP vinylidene fluoride
  • the binder may be included in an amount of 10% by weight or less based on the total weight of the electrode active material layer, and preferably in an amount of 0.1% to 5% by weight. When the content of the binder satisfies the above range, it is possible to implement excellent electrode adhesion while minimizing an increase in electrode resistance.
  • the manufacturing method of the electrode of the present invention comprises the steps of preparing a graphene dispersion, a carbon black dispersion, and a carbon nanotube structure dispersion (S1), and the graphene dispersion, the carbon black dispersion, the carbon nanotube structure dispersion, and an electrode A step (S2) of forming an electrode slurry including an active material may be included. Since the graphene, carbon black, and carbon nanotube structures are the same as those of the above-described embodiment, detailed descriptions are omitted.
  • the graphene dispersion is prepared by preparing a mixed solution containing graphene, a dispersion medium, and a dispersant of the above-described embodiment, and then a homogenizer, a bead mill, a ball mill, a basket mill, an attraction mill, a universal stirrer, a clear mixer, a spike mill, It can be prepared through a method such as a TK mixer or ultrasonic dispersion. Since the dispersion medium and the dispersant may be the same as those used for preparing a dispersion of a carbon nanotube structure, which will be described later, it will be described below.
  • the carbon black dispersion is prepared by preparing a mixture containing the carbon black, dispersion medium and dispersant of the above-described embodiment, and then a homogenizer, a bead mill, a ball mill, a basket mill, an attraction mill, a universal stirrer, a clear mixer, a spike mill, It can be prepared through a method such as a TK mixer or ultrasonic dispersion. Since the dispersion medium and the dispersant may be the same as those used for preparing a dispersion of a carbon nanotube structure, which will be described later, it will be described below.
  • the preparation of the carbon nanotube structure dispersion may include preparing a mixture solution including a dispersion medium, a dispersant, and a bundled single-walled carbon nanotube (a conjugate or agglomerate of single-walled carbon nanotube units) (S1-1); And applying a shear force to the mixed solution to disperse the bundled single-walled carbon nanotubes to form a carbon nanotube structure in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units are side by side (S1-2).
  • S1-1 a mixture solution including a dispersion medium, a dispersant, and a bundled single-walled carbon nanotube (a conjugate or agglomerate of single-walled carbon nanotube units)
  • the mixed solution may be prepared by adding a bundled single-walled carbon nanotube and a dispersant to a dispersion medium.
  • the bundled single-walled carbon nanotube is present in a bundle form by combining the above-described single-walled carbon nanotube units, and usually includes two or more, substantially 500 or more, for example, 5,000 or more single-walled carbon nanotube units. do.
  • the specific surface area of the bundled single-walled carbon nanotubes may be 500m 2 /g to 1,000m 2 /g, and specifically 600m 2 /g to 800m 2 /g.
  • a conductive path in the electrode can be smoothly secured due to a large specific surface area, and thus there is an effect of maximizing the conductivity in the electrode even with a very small amount of the conductive material.
  • the bundled single-walled carbon nanotubes may be included in an amount of 0.1% to 1.0% by weight in the mixed solution, and specifically, may be included in an amount of 0.2% to 0.5% by weight.
  • the bundled single-walled carbon nanotubes are dispersed at an appropriate level, so that a carbon nanotube structure at an appropriate level may be formed, and dispersion stability may be improved.
  • dispersion medium examples include amide polar organic solvents such as dimethylformamide (DMF), diethyl formamide, dimethyl acetamide (DMAc), and N-methyl pyrrolidone (NMP); Methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol (isopropyl alcohol), 1-butanol (n-butanol), 2-methyl-1-propanol (isobutanol), 2-butanol (sec-butanol), 1-methyl Alcohols such as -2-propanol (tert-butanol), pentanol, hexanol, heptanol or octanol; Glycols such as ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, propylene glycol, 1,3-propanediol, 1,3-butanediol, 1,5-pentanediol, or hexylene glycol; Polyhydric alcohols such as glycerin
  • the dispersant may include at least one of hydrogenated nitrile butadiene rubber, polyvinylidene fluoride, and carboxy methyl cellulose, and specifically polyvinylidene fluoride or hydrogenated nitrile butadiene rubber.
  • the weight ratio of the bundled carbon nanotubes and the dispersant may be 1:0.1 to 1:7, and specifically 1:1 to 1:6.
  • the bundled single-walled carbon nanotubes are dispersed at an appropriate level, so that a carbon nanotube structure at an appropriate level may be formed, and dispersion stability may be improved.
  • the solid content in the mixture may be 0.1% to 20% by weight, and specifically 1% to 10% by weight.
  • the bundled single-walled carbon nanotubes are dispersed at an appropriate level, so that a carbon nanotube structure at an appropriate level may be formed, and dispersion stability may be improved.
  • the electrode slurry may have a viscosity and elasticity suitable for an electrode manufacturing process, and contribute to increasing the solid content of the electrode slurry.
  • the process of dispersing the bundled carbon nanotubes in the mixed solution includes a homogenizer, a bead mill, a ball mill, a basket mill, an attraction mill, a universal stirrer, a clear mixer, a spike mill, and TK. It may be performed using a mixing device such as a mixer or ultrasonic sonification equipment. Among them, the beads mill method is preferred in that it can precisely control the diameter and size of the carbon nanotube structure, achieve a uniform distribution of the carbon nanotube structure, and have an advantage in terms of cost. .
  • the bead mill method may be as follows.
  • the mixed solution may be placed in a container including beads, and the container may be rotated to disperse the bundled single-walled carbon nanotubes.
  • the average particle diameter of the beads may be 0.5mm to 1.5mm, and specifically 0.5mm to 1.0mm.
  • the diameter and size of the carbon nanotube structure can be appropriately controlled without breaking during the dispersion process, and a dispersion solution having a uniform composition can be prepared.
  • the rotational speed of the container may be 500RPM to 10,000RPM, and specifically 2,000RPM to 6,000RPM.
  • the diameter and size of the carbon nanotube structure can be appropriately controlled without breaking during the dispersion process, and a dispersion solution having a uniform composition can be prepared.
  • the time during which the beads mill is performed may be 0.5 to 2 hours, specifically 0.5 to 1.5 hours, and more specifically 0.8 to 1 hour.
  • the bead mill execution time means the total time to which the bead mill is applied, and thus, if several bead mill is performed, it means the total time over the several times.
  • the bead mill conditions are for dispersing the bundled single-walled carbon nanotubes at an appropriate level, and specifically, except for the case where the bundled single-walled carbon nanotubes are completely dispersed into a single strand of single-walled carbon nanotubes. That is, the beadmill condition is a carbon nanotube structure in which the bundle-type single-walled carbon nanotubes are dispersed at an appropriate level, and 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units are bonded side by side in the prepared conductive material dispersion. Is to form. This can be achieved only when the composition of the mixed liquid, the conditions of the dispersion process (eg, bead mill process) and the like are strictly controlled.
  • a carbon nanotube structure dispersion may be formed.
  • an electrode slurry including the dispersions and an electrode active material is formed.
  • the electrode active materials described above may be used as the electrode active material.
  • the electrode slurry may further contain a binder and a solvent, if necessary.
  • the binder of the above-described embodiment may be used as the binder.
  • the solvent include amide polar organic solvents such as dimethylformamide (DMF), diethyl formamide, dimethyl acetamide (DMAc), and N-methyl pyrrolidone (NMP); Methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol (isopropyl alcohol), 1-butanol (n-butanol), 2-methyl-1-propanol (isobutanol), 2-butanol (sec-butanol), 1-methyl Alcohols such as -2-propanol (tert-butanol), pentanol, hexanol, heptanol or octanol; Glycols such as ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, propylene glycol, 1,3-propanediol,
  • the electrode slurry prepared as described above is dried to form an electrode active material layer.
  • the electrode active material layer is a method of drying after applying the electrode slurry on the electrode current collector, or applying the electrode slurry on a separate support, and then peeling the resulting film from the support on the current collector. It can be formed through a method of lamination. If necessary, after the electrode active material layer is formed through the above method, a process of rolling may be additionally performed. In this case, drying and rolling may be performed under appropriate conditions in consideration of the physical properties of the electrode to be finally manufactured, and is not particularly limited.
  • a secondary battery according to another embodiment of the present invention may include a negative electrode, a positive electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte, and at least one of the positive electrode and the negative electrode is an electrode of the other embodiment described above.
  • the electrode of another embodiment described above may be the anode of this embodiment.
  • the separator separates the negative electrode and the positive electrode and provides a path for lithium ions to move, and can be used without particular limitation as long as it is used as a separator in a general secondary battery. It is desirable to be excellent.
  • a porous polymer film for example, a porous polymer film made of polyolefin-based polymers such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer, or these A stacked structure of two or more layers of may be used.
  • a conventional porous nonwoven fabric for example, a nonwoven fabric made of a high melting point glass fiber, polyethylene terephthalate fiber, or the like may be used.
  • a coated separator containing a ceramic component or a polymer material may be used, and optionally, a single layer or a multilayer structure may be used.
  • the electrolyte may include, but is not limited to, an organic liquid electrolyte, an inorganic liquid electrolyte, a solid polymer electrolyte, a gel polymer electrolyte, a solid inorganic electrolyte, and a molten inorganic electrolyte that can be used when manufacturing a lithium secondary battery.
  • the electrolyte may include a non-aqueous organic solvent and a metal salt.
  • non-aqueous organic solvent for example, N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butyllolactone, 1,2-dime Oxyethane, tetrahydroxy franc (franc), 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolone, formamide, dimethylformamide, dioxolone, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, Methyl acetate, phosphoric acid tryester, trimethoxy methane, dioxolone derivative, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ether, pyrofion
  • An aprotic organic solvent such as methyl acid or ethy
  • ethylene carbonate and propylene carbonate which are cyclic carbonates
  • the metal salt may be a lithium salt
  • the lithium salt is a material that is readily soluble in the non-aqueous electrolyte, for example, is in the lithium salt anion 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 electrolyte includes, for example, haloalkylene carbonate-based compounds such as difluoroethylene carbonate, pyridine, and trivalent for the purpose of improving battery life characteristics, suppressing reduction in battery capacity, and improving battery discharge capacity.
  • haloalkylene carbonate-based compounds such as difluoroethylene carbonate, pyridine, and trivalent for the purpose of improving battery life characteristics, suppressing reduction in battery capacity, and improving battery discharge capacity.
  • Ethyl phosphite triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N,N-substituted imida
  • One or more additives such as zolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy ethanol, or aluminum trichloride may be further included.
  • a battery module including the secondary battery as a unit cell and a battery pack including the same are provided. Since the battery module and the battery pack include the secondary battery having high capacity, high rate characteristics, and site characteristics, a mid- to large-sized device selected from the group consisting of electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, and power storage systems It can be used as a power source.
  • the mixture was added and dispersed in a spike mill filled with 80% of beads having a size of 0.65 mm, and discharged at a discharge rate of 2 kg/min. By performing such a process twice, the chemically expanded graphene was completely dispersed to prepare a graphene dispersion (see FIG. 3).
  • Bundled single-walled carbon nanotubes (specific surface area 650m 2 /g) and polyvinylidene fluoride (PVdF, KF9700, weight average molecular weight) consisting of single-walled carbon nanotube units with an average diameter of 1.5 nm and an average length of 5 ⁇ m or more : 880,000 g/mol) was mixed with N-Methylpyrrolidone (NMP) as a solvent to prepare a mixture so that the solid content was 2.4% by weight.
  • NMP N-Methylpyrrolidone
  • the mixture was stirred in a bead-mill manner to disperse the bundled single-walled carbon nanotubes in a solvent to prepare a carbon nanotube structure dispersion liquid.
  • the particle diameter of the beads was 1 mm
  • the agitation containing the beads The rotation speed of the container was 3,000 RPM, and the stirring was performed for 60 minutes
  • the dispersion of the carbon nanotube structure contained a carbon nanotube structure in which 2 to 5,000 single-walled carbon nanotube units were side by side (Fig. 2, A).
  • the carbon nanotube structure was 0.4% by weight and the hydrogenated butadiene rubber was 2.0% by weight.
  • Carbon black with a specific surface area of 240 m 2 /g (secondary particle form consisting of primary particles with an average diameter of 25 nm) and hydrogenated nitrile butadiene rubber (weight average molecular weight: 260,000 g/mol) were used as a solvent, N-methylpyrroly.
  • NMP N-Methylpyrrolidone
  • the mixture was stirred in a beads-mill manner to disperse the carbon black in a solvent to prepare a carbon black dispersion.
  • the particle diameter of the beads was 1 mm
  • the rotation speed of the stirring vessel containing the beads was 3,000 RPM
  • the stirring was performed for 60 minutes.
  • the carbon black was 15% by weight and the hydrogenated butadiene rubber was 1.5% by weight.
  • the graphene dispersion of Preparation Example 1, the carbon nanotube structure dispersion of Preparation 2, the carbon black dispersion of Preparation 3, the positive electrode active material LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 (NCM622), and a binder (PVDF, KF9700) were N-
  • a positive electrode slurry having a solid content of 70.4% was prepared by mixing with methylpyrrolidone (NMP, N-methylpyrrolidone).
  • NMP methylpyrrolidone
  • the positive electrode slurry was coated on an Al thin film current collector having a thickness of 20 ⁇ m, dried at 130° C., and rolled to prepare a positive electrode including a positive electrode active material layer.
  • the LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 (NCM622) is 97.5% by weight, the binder is 1.04% by weight, the hydrogenated nitrile butadiene rubber is 0.06% by weight, the polyvinylidene fluoride is 0.4% by weight, 0.3% by weight of the graphene, 0.1% by weight of the carbon nanotube structure, and 0.6% by weight of the carbon black are included.
  • a positive electrode was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the dispersion of the carbon nanotube structure of Preparation Example 2 was not used.
  • a positive electrode was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the carbon black structure dispersion of Preparation Example 3 was not used.
  • Example 1 Graphene content (% by weight) Carbon nanotube structure content (% by weight) Carbon black content (% by weight) Active material resistance (ohm ⁇ cm) Interface resistance (ohm ⁇ cm 2 )
  • Example 1 0.3 0.1 0.6 1.82 0.07 Comparative Example 1 - 0.1 0.9 5.71 0.19 Comparative Example 2 0.3 - 0.7 7.13 0.5 Comparative Example 3 0.3 0.1 - 7.82 0.37
  • Each of the above contents is based on 100% by weight of the total amount of the positive electrode active material layer.

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Abstract

본 발명은 전극 활물질층을 포함하고, 상기 전극 활물질층은 전극 활물질 및 도전재를 포함하며, 상기 도전재는, 그래핀; 2개 내지 5,000개의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체가 서로 결합된 탄소 나노 튜브 구조체; 및 카본 블랙;을 포함하며, 상기 탄소 나노 튜브 구조체는 상기 전극 활물질층 내에 0.01중량% 내지 0.5중량%로 포함되는 전극 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.

Description

전극 및 이를 포함하는 이차 전지
관련출원과의 상호인용
본 출원은 2019년 10월 04일자 출원된 한국 특허 출원 제10-2019-0123261호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 전극 활물질층을 포함하고, 상기 전극 활물질층은 전극 활물질 및 도전재를 포함하며, 상기 도전재는, 그래핀; 2개 내지 5,000개의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체가 서로 결합된 탄소 나노 튜브 구조체; 및 카본 블랙;을 포함하며, 상기 탄소 나노 튜브 구조체는 상기 전극 활물질층 내에 0.01중량% 내지 0.5중량%로 포함되는 전극 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
최근 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 연구가 다양하게 행해지고 있다. 특히, 이러한 장치의 전원으로 높은 에너지 밀도를 가지면서 우수한 수명 및 사이클 특성을 가지는 리튬 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
리튬 이차전지는 리튬 이온의 삽입/탈리가 가능한 양극 활물질을 포함하고 있는 양극과, 리튬 이온의 삽입/탈리가 가능한 음극 활물질을 포함하고 있는 음극, 상기 양극과 음극 사이에 미세 다공성 분리막이 개재된 전극 조립체에 리튬 이온을 함유한 비수 전해질이 포함되어 있는 전지를 의미한다.
한편, 상기 전극 활물질만으로는 전극의 도전성이 확보될 수 없으므로, 전지의 저항이 지나치게 높은 문제가 있어서, 통상적으로 전극은 도전재를 추가적으로 포함하게 된다. 종래에는 카본 블랙 등의 점형 도전재를 주로 사용하였으며, 도전성을 더욱 개선하여 전지의 용량을 개선하기 위해 탄소 나노 튜브, 탄소 나노 섬유 등의 선형 도전재도 사용되고 있다.
단일벽 탄소 나노 튜브는 상기 선형 도전재 중 하나이며, 가늘고 긴 형상에 기하여 전극 활물질층 내의 도전성을 향상시킨다. 이에, 종래에는 상기 단일벽 탄소 나노 튜브를 완전히 분산시켜 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체들이 한가닥 단위로 존재하는 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체를 포함하는 분산액을 제조한 뒤, 상기 분산액을 통해 전극 슬러리를 제조하고, 상기 전극 슬러리를 통해 전극 활물질층을 제조하였다. 이에 따라, 단일벽 탄소 나노 튜브가 전극 활물질층 내에서 단위체(한 가닥) 단위로 존재하게 된다. 다만, 전지의 충전과 방전이 반복될 시 상기 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체의 표면이 손상되거나 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체가 끊어지게 되어, 전극 활물질층 내의 도전성 네트워크가 유지되기 어려운 문제가 있다. 이에 따라, 도전성 네트워크가 차단되거나 줄어들게 되고, 이는 전지의 수명 특성을 저하시킨다.
이를 위해, 탄소 나노 튜브의 표면 손상에도 도전성을 확보하기 위해 다중벽 탄소 나노 튜브를 사용하는 방법도 존재한다. 다만, 다중벽 탄소 나노 튜브의 경우, 마디 단위로 성장하여 형성되는 구조에 기인하여, 분산액 제조 시 지나치게 짧은 길이로 절단되므로, 전극의 도전성을 개선시키기에 한계가 있다.
한편, 그래핀과 같은 면형 도전재의 경우에도 전기 전도성은 우수하지만, 얇은 두께를 갖는 단일층(single layer)의 그래핀은 제조가 어려우며, 두께가 두꺼운 그래핀을 사용할 경우, 전지 효율이 저하된다는 문제점이 있다. 또한, 면형 도전재의 경우 넓은 면형 접촉으로 인해 전지 내에서 전해액의 이동성이 제한을 받는다는 문제점이 있다. 나아가, 상기 그래핀은 전극 활물질의 표면을 덮는 형태로 대부분 존재하게 되는 바, 전극 활물질들간에 긴 길이의 도전성 네트워크를 형성함에 있어서는 적합하지 않다.
또한, 상기 선형 도전재나 면형 도전재를 사용하는 경우, 전극을 압연하는 과정에서 전극 활물질이 쉽게 손상되는 문제가 있다.
따라서, 전극 활물질의 손상을 억제하고, 전극 저항을 낮추어, 전지의 수명 특성을 향상시키는 방안이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 전극 활물질의 손상을 억제하고, 전극 저항을 낮추어, 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있는 전극을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 전극을 포함하는 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극 활물질층을 포함하고, 상기 전극 활물질층은 전극 활물질 및 도전재를 포함하며, 상기 도전재는, 그래핀; 2개 내지 5,000개의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체가 서로 결합된 탄소 나노 튜브 구조체; 및 카본 블랙;을 포함하며, 상기 탄소 나노 튜브 구조체는 상기 전극 활물질층 내에 0.01중량% 내지 0.5중량%로 포함되는 전극 이 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전극을 포함하는 이차 전지가 제공된다.
본 발명에 따른 전극은 2 내지 5,000개의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체가 서로 결합된 탄소 나노 튜브 구조체를 포함하므로, 도전성 네트워크가 원활하게 유지될 수 있다. 이에 따라, 전극의 저항이 낮은 수준을 유지할 수 있으며, 전지의 수명 특성이 향상될 수 있다. 또한, 상기 탄소 나노 튜브 구조체가 긴 길이의 로프 형태로 전극 내 존재하므로, 전지의 계속된 충방전에 의하더라도 탄소 나노 튜브 구조체의 손상에 따른 도전성 저하가 억제될 수 있고, 긴 길이의 도전성 네트워크를 형성할 수 있다. 나아가, 상기 전극이 그래핀을 포함하므로, 그래핀의 우수한 전기 전도성에 기하여 전극의 저항이 더욱 감소될 수 있다. 또한, 상기 그래핀은 전극 활물질의 표면을 덮어 짧은 길이의 도전성 네트워크 형성에 기여하므로, 상기 그래핀과 상기 탄소 나노 튜브 구조체의 병용에 따라 전극 전반에 걸쳐 도전성 네트워크가 고르게 형성될 수 있다. 더욱이, 상기 그래핀이 상기 탄소 나노 튜브 구조체의 적어도 일부를 덮으며 존재하므로, 전지의 반복된 충방전에도 긴밀한 도전성 네트워크가 유지될 수 있다. 이에 따라 전지의 수명 특성이 개선될 수 있다. 또한, 본 발명의 전극은 카본 블랙을 포함하므로, 전극 압연 시 상기 카본 블랙의 낮은 경도에 기하여 상기 전극 활물질의 손상이 억제될 수 있다. 이에 따라, 전지의 수명 성능이 개선될 수 있다.
도 1은 종래 사용되어온 다중벽 탄소 나노 튜브 단위체(A)와 본 발명의 실시예에서 사용된 탄소 나노 튜브 구조체(B, C)의 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 사용된 탄소 나노 튜브 구조체(A)와 종래 사용되어온 완전 분산된 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체(B)의 TEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예의 전극의 SEM 사진이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 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 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, "%"는 명시적인 다른 표시가 없는 한 중량%를 의미한다.
본 명세서에서, "비표면적"은 BET법에 의해 측정한 것으로서, 구체적으로는 BEL Japan사의 BELSORP-mini II를 이용하여 액체 질소 온도 하(77K)에서의 질소가스 흡착량으로부터 산출될 수 있다.
본 명세서에서 평균 입경(D50)은 입자의 입경 분포 곡선에 있어서, 체적 누적량의 50%에 해당하는 입경으로 정의할 수 있다. 상기 평균 입경(D50)은 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 발명에서 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체는 탄소 원자로 구성된 벽(wall)이 하나인 튜브 형태의 단위체를 의미하며, 다중벽 탄소 나노 튜브 단위체는 하나의 튜브에 탄소 원자로 구성된 벽이 여러 겹인 튜브 형태의 단위체를 의미한다.
본 명세서에서 그래핀이란, 하나의 흑연면 또는 복수의 흑연면이 적층된 형태를 가지며, 유연성을 가지고, 박막 형태인 탄소질 구조체를 의미한다.
이하, 본 발명에 대해 구체적으로 설명한다.
전극
본 발명에 따른 전극은 전극 활물질층을 포함하고, 상기 전극 활물질층은 전극 활물질 및 도전재를 포함하며, 상기 도전재는, 그래핀; 2개 내지 5,000개의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체가 서로 결합된 탄소 나노 튜브 구조체; 및 카본 블랙;을 포함하며, 상기 탄소 나노 튜브 구조체는 상기 전극 활물질층 내에 0.01중량% 내지 0.5중량%로 포함 될 수 있다.
상기 전극은 전극 활물질층을 포함할 수 있다. 상기 전극은 집전체를 더 포함할 수 있으며, 그러한 경우 상기 전극 활물질층은 상기 집전체의 일면 또는 양면 상에 배치될 수 있다.
상기 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서도 도전성을 가진 소재라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 이들의 합금, 이들의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 또는 소성 탄소 등이 사용될 수 있다.
상기 집전체는 통상적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 또한, 상기 전극 집전체는 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 전극 활물질층은 전극 활물질 및 도전재를 포함할 수 있다.
상기 전극 활물질은 당해 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 양극 활물질 또는 음극 활물질들일 수 있으며, 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 양극 활물질로는, 코발트, 망간, 니켈 또는 알루미늄과 같은 1종 이상의 금속과 리튬을 포함하는 리튬 산화물이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 리튬 산화물은 리튬-망간계 산화물(예를 들면, LiMnO2, LiMn2O 등), 리튬-코발트계 산화물(예를 들면, LiCoO2 등), 리튬-니켈계 산화물(예를 들면, LiNiO2 등), 리튬-니켈-망간계 산화물(예를 들면, LiNi1-Y1MnY1O2(여기에서, 0<Y1<1), LiNiZ1Mn2-Z1O4(여기에서, 0＜Z1＜2) 등), 리튬-니켈-코발트계 산화물(예를 들면, LiNi1-Y2CoY2O2(여기에서, 0<Y2<1) 등), 리튬-망간-코발트계 산화물(예를 들면, LiCo1-Y3MnY3O2(여기에서, 0<Y3<1), LiMn2-Z2CoZ2O4(여기에서, 0＜Z2＜2) 등), 리튬-니켈-코발트-망간계 산화물(예를 들면, Li(NiP1CoQ1MnR1)O2(여기에서, 0＜P1＜1, 0＜Q1＜1, 0＜R1＜1, P1+Q1+R1=1) 또는 Li(NiP2CoQ2MnR2)O4(여기에서, 0＜P2＜2, 0＜Q2＜2, 0＜R2＜2, P2+Q2+R2=2) 등), 또는 리튬-니켈-코발트-망간-기타금속(M) 산화물(예를 들면, Li(NiP3CoQ3MnR3M1 S)O2(여기에서, M1은 Al, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Ta, Nb, Mg, B, W 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되고, P3, Q3, R3 및 S는 각각 독립적인 원소들의 원자분율로서, 0＜P3＜1, 0＜Q3＜1, 0＜R3＜1, 0＜S＜1, P3+Q3+R3+S=1이다) 등) 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 화합물이 포함될 수 있다.
한편, 음극 활물질로는, 예를 들면, 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si합금, Sn합금 또는 Al합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; SiOv(0<v<2), SnO2, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물과 같이 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 금속산화물; 또는 Si-C 복합체 또는 Sn-C 복합체과 같이 상기 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다. 또, 탄소재료는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다.
상기 전극 활물질은 전극 활물질층 전체 중량을 기준으로, 70중량% 내지 99.5중량%, 바람직하게는 80중량% 내지 99중량%로 포함될 수 있다. 전극 활물질의 함량이 상기 범위를 만족할 때, 우수한 에너지 밀도, 전극 접착력 및 전기 전도도를 구현할 수 있다.
상기 도전재는 그래핀, 탄소 나노 튜브 구조체, 및 카본 블랙을 포함할 수 있다.
(1) 그래핀
상기 그래핀은 주로 전극 활물질 표면에 배치되어, 인접한 전극 활물질 간의 도전성 네트워크를 형성하는데 기여한다.
상기 그래핀은 1개 내지 1,000개의 흑연면이 적층된 구조를 포함할 수 있으며, 구체적으로 상기 적층된 흑연면은 1개 내지 500개, 보다 구체적으로 1개 내지 100개일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 얇은 두께에 의해 유연성을 가지는 고품질의 그래핀 특성을 활용할 수 있으며, 상기 전극 활물질층 내에서 사익 그래핀이 균일하게 분산되기 용이하다. 또한, 낮은 함량의 그래핀을 사용하더라도 전극 활물질층의 전기 전도도를 크게 개선할 수 있다.
상기 그래핀의 평균 길이는 0.1㎛ 내지 100㎛일 수 있으며, 구체적으로 0.1㎛ 내지 10㎛일 수 있고, 보다 구체적으로 0.1㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 그래핀이 전극 활물질을 적절한 수준으로 덮으며 존재할 수 있다. 또한, 상기 그래핀이 상기 탄소 나노 튜브 구조체 적어도 일부를 덮어, 탄소 나노 튜브 구조체가 상기 전극 활물질로부터 이격되는 것이 더욱 억제될 수 있다. 이와 같은 이유로 전극 활물질 및 전극 활물질간의 도전성이 개선될 수 있다. 상기 평균 길이는 SEM 또는 TEM을 통해 관찰된 전극 내 길이가 큰 상위 100개의 그래핀의 길이와 길이가 짧은 하위 100개의 그래핀의 길이의 평균값에 해당한다. 여기서, 상기 그래핀의 길이란, 일 그래핀 내 어느 한 지점에서 다른 한 지점을 이은 선을 가정했을 때 가장 긴 길이를 나타낸다.
상기 그래핀의 평균 두께는 0.3nm 내지 300nm일 수 있으며, 구체적으로 1nm 내지 100nm일 수 있고, 보다 구체적으로 1nm 내지 50nm일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 얇은 두께에 의해 유연성을 가지는 고품질의 그래핀 특성을 활용하여, 상기 그래핀이 상기 전극 활물질을 더 잘 감쌀 수 있으며, 상기 전극 활물질층 내에서 사익 그래핀이 균일하게 분산되기 용이하다. 또한, 낮은 함량의 그래핀을 사용하더라도 전극 활물질층의 전기 전도도를 크게 개선할 수 있다. 상기 평균 두께는 SEM 또는 TEM을 통해 관찰된 전극 내 두께가 큰 상위 100개의 그래핀의 두께와 두께가 작은 하위 100개의 그래핀의 두께의 평균값에 해당한다.
상기 그래핀의 BET 비표면적은 100m2/g 내지 500m2/g일 수 있으며, 구체적으로 100m2/g 내지 400m2/g일 수 있고, 보다 구체적으로 100m2/g 내지 300m2/g일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 전극 슬러리 내에서 상기 그래핀의 분산성이 양호하며, 적은 함량의 그래핀으로도 전극 활물질층의 전기 전도도를 크게 개선시킬 수 있다. 상기 BET 비표면적은 질소 흡착 BET법을 통해 측정될 수 있다.
상기 그래핀은 상기 전극 활물질층 내에 0.01중량% 내지 1.0중량%로 포함될 수 있으며, 구체적으로 0.05중량% 내지 0.5중량%, 보다 구체적으로 0.1중량% 내지 0.5중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 적은 그래핀 함량 적용만으로도, 전극의 접착력과 전기 전도도를 크게 개선할 수 있고, 전지의 입/출력 특성과 수명 특성을 향상시킬 수 있다.
(2) 탄소 나노 튜브 구조체
상기 탄소 나노 튜브 구조체는 복수의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소 나노 튜브 구조체는 2개 내지 5,000개의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체가 서로 나란히 결합된 탄소 나노 튜브 구조체일 수 있다. 보다 더 구체적으로, 상기 전극의 내구성 및 도전성 네트워크를 고려하여, 상기 탄소 나노 튜브 구조체는 2개 내지 4,500개, 바람직하게는 50 내지 4,000개, 보다 바람직하게는 1,000개 내지 4,000개의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체가 서로 결합된 탄소 나노 튜브 구조체인 것이 가장 바람직하다.
상기 탄소 나노 튜브 구조체 내에서 상기 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체들이 나란하게 배열되어 결합되어(단위체들의 장축이 서로 평행하게 결합하여 유연성을 가지는 원통형의 구조) 상기 탄소 나노 튜브 구조체를 형성하는 것일 수 있다. 상기 전극 내에서 상기 탄소 나노 튜브 구조체들은 서로 연결되어 망(network) 구조를 나타낼 수 있다.
탄소 나노 튜브를 포함하는 종래의 전극들은, 일반적으로 번들형(bundle type) 또는 인탱글형(entangled type) 탄소 나노 튜브(단일벽 탄소 나노 튜브 단위체 또는 다중벽 탄소 나노 튜브 단위체가 서로 붙어있거나 얽혀있는 형태)를 분산매에서 분산시켜 도전재 분산액을 제조한 뒤, 상기 도전재 분산액을 사용하여 제조된다. 이 때, 종래의 도전재 분산액 내에서 상기 탄소 나노 튜브는 완전하게 분산되어, 한 가닥 형태의 탄소 나노 튜브 단위체들이 분산된 도전재 분산액으로 존재한다. 상기 종래의 도전재 분산액은 지나친 분산 공정에 의해, 상기 탄소 나노 튜브 단위체들이 쉽게 절단되어 초기 대비 짧은 길이를 가지게 된다. 또한, 전극의 압연 공정 과정에서도 상기 탄소 나노 튜브 단위체들이 쉽게 절단될 수 있고. 전지의 구동 시 전극 활물질의 지나친 부피 변화에 따라 상기 탄소 나노 튜브 단위체들(특히, 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체)이 절단되거나 표면 손상되는 문제가 추가적으로 발생하게 된다. 이에 따라, 전극의 도전성이 저하되어, 전지의 입/출력 특성 및 수명 특성이 저하되는 문제가 있다. 더구나, 다중벽 탄소 나노 튜브 단위체의 경우, 마디 성장(매끄러운 선형이 아니라 성장 과정에서 발생하는 결함에 의해 마디들이 존재)하는 메커니즘에 의해 구조의 결함이 높다. 따라서, 분산 과정 중, 상기 다중벽 탄소 나노 튜브 단위체는 더욱 쉽게 절단 되며(도 1의 A 참조), 상기 단위체의 탄소 표면 결합 구조(sp2)에 기인한 π-π stacking에 의해 짧게 절단된 다중벽 탄소 나노 튜브 단위체들이 서로 응집(aggregation)되기 쉽다. 이에 따라 전극 슬러리 내에서 더욱 더 균일하게 분산되어 존재하기 어렵다.
이와 달리, 본 발명의 전극에 포함된 탄소 나노 튜브 구조체의 경우, 상대적으로 구조적 결함이 없이 높은 결정성을 유지하는 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체들 2개 내지 5,000개가 서로 나란히 배열되어 결합된 로프 형태를 가지고 있으므로(도 1의 B 및 C, 도 2의 A 참조), 전극 활물질의 부피 변화에도 절단되지 않고 길이를 원활하게 유지할 수 있어서 전지의 지속된 충방전 과정에서도 전극의 도전성이 유지될 수 있다. 또한, 높은 결정성을 가지는 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체의 높은 전기 전도성에 기하여 전극의 도전성을 높여 전지의 입/출력 특성 및 수명 특성이 크게 개선될 수 있다. 또한, 상기 전극 내에서 상기 탄소 나노 튜브 구조체들은 서로 연결되어 망 구조를 가질 수 있으므로, 전극 활물질의 지나친 부피 변화를 억제하여 크랙 발생을 방지할 수 있음과 동시에 강한 도전성 네트워크를 확보할 수 있다. 또한, 전극 활물질에 크랙이 발생하더라도 상기 탄소 나노 튜브 구조체가 크랙을 가로지르며 전극 활물질을 이어주므로 도전성 네트워크가 유지될 수 있다. 나아가, 탄소 나노 튜브 구조체가 쉽게 끊어지지 않고 긴 형상을 유지할 수 있으므로, 전극 활물질층 전반에 걸쳐 도전성 네트워크가 강화될 수 있다. 또한, 전극 활물질의 탈리가 억제되어 전극 접착력이 크게 향상될 수 있다.
특히, 상기 그래핀과의 병용의 관점에서 보자면, 상기 그래핀이 전극 활물질 표면에 주로 배치되어 짧은 길이의 도전성 확보에 기여한다면, 상기 탄소 나노 튜브 구조체는 긴 길이와 망 구조를 통해 긴 길이의 도전성 확보에 기여할 수 있다. 더욱이, 상기 그래핀이 상기 탄소 나노 튜브 구조체의 적어도 일부를 덮으며 존재하므로, 전지의 반복된 충방전에도 도전성 네트워크가 긴밀하게 유지될 수 있다. 이에, 상기 그래핀과 상기 탄소 나노 튜브 구조체를 병용할 시, 전체 도전재 함량을 줄이면서도, 전극 활물질층 전반에 걸쳐 긴밀하고, 균일한 도전 네트워크 형성이 가능하므로, 전지의 입/출력 특성 및 수명 특성이 크게 개선될 수 있다.
상기 탄소 나노 튜브 구조체에 있어서, 상기 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체의 평균 직경은 0.5nm 내지 5nm일 수 있으며, 구체적으로 1nm 내지 5nm일 수 있다. 상기 평균 직경을 만족할 시, 극소량의 도전재 함량으로도 전극 내 도전성을 극대화할 수 있는 효과가 있다. 상기 평균 직경은 제조된 전극을 TEM을 통해 관찰했을 시, 직경이 큰 상위 100개의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체와 하위 100개의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체의 평균값에 해당한다.
상기 탄소 나노 튜브 구조체에 있어서, 상기 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체의 평균 길이는 1㎛ 내지 100㎛일 수 있으며, 구체적으로 5㎛ 내지 50㎛일 수 있다. 상기 평균 길이를 만족할 시, 상기 전극 활물질들 간의 도전성 연결을 위한 긴 도전성 경로가 형성될 수 있고, 특유의 망 구조가 형성될 수 있으므로, 극소량의 도전재 함량으로도 전극 내 도전성을 극대화할 수 있는 효과가 있다. 상기 평균 길이는 제조된 전극을 TEM을 통해 관찰했을 시, 길이가 큰 상위 100개의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체와 하위 100개의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체들의 평균값에 해당한다.
상기 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체의 비표면적은 500m2/g 내지 1,000m2/g일 수 있으며, 구체적으로 600m2/g 내지 800m2/g일 수 있다. 상기 범위를 만족할 시, 넓은 비표면적에 의해 전극 내 도전성 경로가 원활하게 확보될 수 있으므로, 극소량의 도전재 함량으로도 전극 내 도전성을 극대화할 수 있는 효과가 있다. 상기 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체의 비표면적은 구체적으로 BEL Japan사의 BELSORP-mini II를 이용하여 액체 질소 온도 하(77K)에서의 질소 가스 흡착량으로부터 산출될 수 있다.
상기 탄소 나노 튜브 구조체의 평균 직경은 2nm 내지 200nm일 수 있으며, 구체적으로 5nm 내지 150nm일 수 있으며, 보다 구체적으로 50nm 내지 120nm 일 수 있다. 상기 범위를 만족할 시, 도전성 망 구조(network) 형성에 효과적이며, 활물질들 사이를 연결하는데 유리하여 우수한 전기 전도성을 구현할 수 있다. 상기 평균 길이는 제조된 전극을 SEM을 통해 관찰했을 시, 직경이 큰 상위 100개의 탄소 나노 튜브 구조체와 하위 100개의 탄소 나노 튜브 구조체들 직경의 평균값에 해당한다.
상기 탄소 나노 튜브 구조체의 평균 길이는 1㎛ 내지 500㎛일 수 있으며, 구체적으로 5㎛ 내지 100㎛일 수 있으며, 보다 구체적으로 10㎛ 내지 70㎛일 수 있다. 상기 범위를 만족할 시, 도전성 네트워크(network) 형성에 효과적이며, 전극 활물질들 사이를 연결하는데 유리하여 우수한 전기 전도성을 구현할 수 있다. 상기 평균 길이는 제조된 전극을 SEM을 통해 관찰했을 시, 길이가 큰 상위 100개의 탄소 나노 튜브 구조체와 하위 100개의 탄소 나노 튜브 구조체들 길이의 평균값에 해당한다.
상기 탄소 나노 튜브 구조체는 상기 전극 활물질층 내에 0.01중량% 내지 0.5중량%로 포함될 수 있으며, 구체적으로 0.01중량% 내지 0.15중량%로 포함될 수 있으며, 보다 구체적으로 0.01중량% 내지 0.1중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족할 시, 전극의 도전성 경로가 확보되어 전극 저항이 낮은 수준을 유지하면서도 전지의 수명 특성이 개선될 수 있다. 도전재 분산액 제조 시, 번들형 탄소 나노 튜브를 완전히 분산(일반적인 분산 방법으로써 최대한 한가닥의 탄소 나노 튜브 단위체들이 서로 떨어지도록 분산)할 경우에는 상기 탄소 나노 튜브 구조체가 발생하지 않거나, 의도치 않게 발생하더라도 매우 적은 양(예컨대, 0.0005중량%)으로 발생하게 된다. 즉, 상기 함량 범위는 일반적인 방법으로는 결코 달성될 수 없다. 상기 탄소 나노 튜브 구조체는 2개 내지 5,000개의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체가 서로 나란히 배열되어 결합된 형태를 가지고 있으므로, 전극 활물질의 부피 변화에도 상기 탄소 나노 튜브 구조체는 절단되지 않고 길이를 원활하게 유지할 수 있다. 따라서, 전극의 도전성이 유지될 수 있으며, 탄소 나노 튜브 구조체가 가지는 높은 도전성에 기하여 전극의 도전성이 원활하게 확보될 수 있다. 이에 따라, 전극 내에서 탄소 나노 튜브 구조체의 함량이 낮은 수준이더라도, 전지의 입/출력 특성 및 수명 특성이 우수할 수 있다.
한편, 경우에 따라, 상기 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체는, 분산제와의 친화성을 향상을 위해 산화 처리 또는 질화 처리 등을 통해 표면처리된 것일 수도 있다.
(3) 카본 블랙
상기 카본 블랙은 상기 전극 내에서 저항을 낮추는 역할을 하면서, 동시에 전극 압연 시 전극 활물질의 손상을 억제하는 역할을 할 수 있다.
상기 카본 블랙의 평균 입경(D50)은 1nm 내지 500nm일 수 있으며, 구체적으로 10nm 내지 250nm일 수 있고, 보다 구체적으로 20nm 내지 200nm일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 카본 블랙에 의해 전극 압연 시 전극 활물질의 손상이 최소화될 수 있으며, 짧은 길이의 도전성 네트워크 형성이 용이해질 수 있다.
상기 카본 블랙은 상기 전극 활물질층 내에 0.01중량% 내지 1중량%로 포함될 수 있으며, 구체적으로 0.05중량% 내지 1중량%, 보다 구체적으로 0.05중량% 내지 0.5중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 카본 블랙에 의해 전극 압연 시 전극 활물질의 손상이 최소화될 수 있으며, 짧은 길이의 도전성 네트워크 형성이 용이해질 수 있다.
상기 그래핀, 상기 탄소 나노 튜브 구조체, 및 상기 카본 블랙의 중량비는 0.01 내지 3 : 0.01 내지 0.5 : 0.1 내지 10일 수 있으며, 구체적으로 0.01 내지 2 : 0.03 내지 0.5 : 0.1 내지 5일 수 있고, 보다 구체적으로 0.05 내지 1 : 0.05 내지 0.5 : 0.1 내지 1일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 범위를 만족하는 경우, 균일하고 긴밀한 도전성 네트워크 형성이 가능하며, 전극 압연 시 전극 활물질의 손상이 효과적으로 억제될 수 있다. 이에 따라, 전지의 수명 특성이 개선될 수 있다.
상기 그래핀, 상기 탄소 나노 튜브 구조체, 및 상기 카본 블랙은 전극 내에서 전극 활물질과 도 3과 같은 구조를 이룰 수 있다. 구체적으로 상기 탄소 나노 튜브 구조체는 긴 길이를 가지며 상기 전극 활물질들을 연결하며 서로 연결되어 망 구조를 형성한다. 상기 그래핀은 상기 나노 튜브 구조체의 일부를 덮어서 상기 탄소 나노 튜브 구조체에 의한 도전성 연결을 강화시키고, 전체적인 도전성 네트워크를 긴밀하게 형성시킨다. 상기 카본 블랙은 상기 전극 활물질, 상기 그래핀, 상기 탄소 나노 튜브 구조체 상에 배치되며, 전극 압연 시 전극 활물질의 손상을 막는 일종의 완충 역할을 수행한다.
상기 전극 활물질층은 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더는 전극 활물질들 간 또는 전극 활물질과 집전체와의 접착력을 확보하기 위한 것으로, 당해 기술 분야에서 사용되는 일반적인 바인더들이 사용될 수 있으며, 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다. 상기 바인더로는, 예를 들면, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 카르복시 메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose: CMC), 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.
상기 바인더는 전극 활물질층 전체 중량에 대하여 10중량% 이하로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 0.1중량% 내지 5중량%로 포함될 수 있다. 바인더의 함량이 상기 범위를 만족할 경우, 전극 저항 증가를 최소화하면서 우수한 전극 접착력을 구현할 수 있다.
전극의 제조 방법
다음으로 본 발명의 전극 제조 방법에 대해서 설명한다.
본 발명의 전극의 제조 방법은, 그래핀 분산액, 카본 블랙 분산액, 및 탄소 나노 튜브 구조체 분산액을 준비하는 단계(S1) 및 상기 그래핀 분산액, 상기 카본 블랙 분산액, 상기 탄소 나노 튜브 구조체 분산액, 및 전극 활물질을 포함하는 전극 슬러리를 형성하는 단계(S2)를 포함할 수 있다. 상기 그래핀, 카본 블랙, 탄소 나노 튜브 구조체는 상술한 실시예의 그것들과 동일한 바 구체적인 설명을 생략한다.
(1) 그래핀 분산액, 카본 블랙 분산액, 및 탄소 나노 튜브 구조체 분산액을 준비하는 단계(S1)
1) 그래핀 분산액의 준비
상기 그래핀 분산액은 상술한 실시예의 그래핀, 분산매, 분산제가 포함된 혼합액을 준비한 뒤, 호모지나이저, 비즈 밀, 볼 밀, 바스켓 밀, 어트리션 밀, 만능 교반기, 클리어 믹서, 스파이크 밀, TK 믹서, 초음파 분산 등의 방식을 통해 준비될 수 있다. 상기 분산매, 분산제는 후술할 탄소 나노 튜브 구조체 분산액의 준비에 사용되는 것과 동일할 수 있으므로, 아래에서 설명하도록 한다.
2) 카본 블랙 분산액의 준비
상기 카본 블랙 분산액은 상술한 실시예의 카본 블랙, 분산매, 분산제가 포함된 혼합액을 준비한 뒤, 호모지나이저, 비즈 밀, 볼 밀, 바스켓 밀, 어트리션 밀, 만능 교반기, 클리어 믹서, 스파이크 밀, TK 믹서, 초음파 분산 등의 방식을 통해 준비될 수 있다. 상기 분산매, 분산제는 후술할 탄소 나노 튜브 구조체 분산액의 준비에 사용되는 것과 동일할 수 있으므로, 아래에서 설명하도록 한다.
3) 탄소 나노 튜브 구조체 분산액의 준비
상기 탄소 나노 튜브 구조체 분산액의 준비는, 분산매, 분산제, 및 번들형 단일벽 탄소 나노 튜브(단일벽 탄소 나노 튜브 단위체들의 결합체 내지 응집체)가 포함된 혼합액을 준비하는 단계(S1-1); 및 상기 혼합액에 전단력을 가하여, 상기 번들형 단일벽 탄소 나노 튜브를 분산시켜 2 내지 5,000개의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체가 나란히 결합된 탄소 나노 튜브 구조체를 형성하는 단계(S1-2);를 포함할 수 있다.
상기 S1-1단계에 있어서, 상기 혼합액은 번들형 단일벽 탄소 나노 튜브 및 분산제를 분산매에 투입하여 제조될 수 있다. 상기 번들형 단일벽 탄소 나노 튜브는 상술한 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체들이 결합되어 다발 형태로 존재하는 것으로, 보통 2개 이상, 실질적으로 500개 이상, 예컨대 5,000개 이상의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체들을 포함한다.
상기 번들형 단일벽 탄소 나노 튜브의 비표면적은 500m2/g 내지 1,000m2/g일 수 있으며, 구체적으로 600m2/g 내지 800m2/g일 수 있다. 상기 범위를 만족할 시, 넓은 비표면적에 의해 전극 내 도전성 경로가 원활하게 확보될 수 있으므로, 극소량의 도전재 함량으로도 전극 내 도전성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
상기 번들형 단일벽 탄소 나노 튜브는 상기 혼합액 내에 0.1중량% 내지 1.0중량%로 포함될 수 있으며, 구체적으로 0.2중량% 내지 0.5중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족할 시 상기 번들형 단일벽 탄소 나노 튜브가 적당한 수준으로 분산되어, 적절 수준의 탄소 나노 튜브 구조체가 형성될 수 있으며, 분산 안정성이 개선될 수 있다.
상기 분산매로는, 예를 들면, 디메틸포름아미드(DMF), 디에틸 포름아미드, 디메틸 아세트아미드(DMAc), N-메틸 피롤리돈(NMP) 등의 아미드계 극성 유기 용매; 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올(이소프로필 알코올), 1-부탄올(n-부탄올), 2-메틸-1-프로판올(이소부탄올), 2-부탄올(sec-부탄올), 1-메틸-2-프로판올(tert-부탄올), 펜탄올, 헥산올, 헵탄올 또는 옥탄올 등의 알코올류; 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 1,3-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 또는 헥실렌글리콜 등의 글리콜류; 글리세린, 트리메티롤프로판, 펜타에리트리톨, 또는 소르비톨 등의 다가 알코올류; 에틸렌글리콜모노 메틸에테르, 디에틸렌글리콜모노 메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 모노 메틸에테르, 테트라 에틸렌글리콜모노 메틸에테르, 에틸렌글리콜모노 에틸에테르, 디에틸렌글리콜모노 에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 모노 에틸에테르, 테트라 에틸렌글리콜모노 에틸에테르, 에틸렌글리콜모노 부틸 에테르, 디에틸렌글리콜모노 부틸 에테르, 트리에틸렌글리콜 모노 부틸 에테르, 또는 테트라 에틸렌글리콜모노 부틸 에테르 등의 글리콜 에테르류; 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 메틸프로필 케톤, 또는 사이클로펜타논 등의 케톤류; 초산에틸, γ-부틸 락톤, 및 ε-프로피오락톤 등의 에스테르류 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 구체적으로, 상기 분산매는 N-메틸 피롤리돈(NMP)일 수 있다.
상기 분산제는 수소화 니트릴 부타디엔 고무, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 및 카르복시 메틸 셀룰로오스 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 구체적으로 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 수소화 니트릴 부타데인 고무일 수 있다.
상기 도전재 분산액 내에서 상기 번들형 탄소 나노 튜브와 상기 분산제의 중량비는 1:0.1 내지 1:7일 수 있으며, 구체적으로 1:1 내지 1:6일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 번들형 단일벽 탄소 나노 튜브가 적당한 수준으로 분산되어, 적절 수준의 탄소 나노 튜브 구조체가 형성될 수 있으며, 분산 안정성이 개선될 수 있다.
상기 혼합액 내에서 고형분 함량은 0.1중량% 내지 20중량%일 수 있으며, 구체적으로 1중량% 내지 10중량%일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 번들형 단일벽 탄소 나노 튜브가 적당한 수준으로 분산되어, 적절 수준의 탄소 나노 튜브 구조체가 형성될 수 있으며, 분산 안정성이 개선될 수 있다. 또한, 전극 슬러리가 전극 제조 공정에 적합한 점도와 탄성을 가질 수 있으며, 전극 슬러리의 고형분 함량을 높이는 것에도 기여한다.
상기 S1-2 단계에 있어서, 상기 혼합액 내에서 상기 번들형 탄소 나노 튜브를 분산시키는 공정은, 호모지나이져, 비즈밀, 볼밀, 바스켓 밀, 어트리션밀, 만능 교반기, 클리어 믹서, 스파이크 밀, TK믹서 또는 초음파 분산(sonification) 장비 등과 같은 혼합 장치를 이용하여 수행될 수 있다. 그 중에서도, 탄소 나노 튜브 구조체의 직경 크기를 정밀하게 제어할 수 있으며, 탄소 나노 튜브 구조체의 균일한 분포를 달성할 수 있고, 비용 측면에서 이점이 있다는 점에서 비즈밀(beads mill) 방식이 바람직하다.
상기 비즈밀 방식은 다음과 같을 수 있다. 상기 혼합액을 비즈(bead)들이 포함된 용기에 넣고, 상기 용기를 회전시켜 상기 번들형 단일벽 탄소 나노 튜브를 분산시킬 수 있다.
이 때, 상기 비즈밀 방식이 수행되는 조건은 다음과 같다.
상기 비즈의 평균 입경은 0.5mm 내지 1.5mm일 수 있으며, 구체적으로 0.5mm 내지 1.0mm일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 분산 공정 중 탄소 나노 튜브 구조체의 끊어짐 없이 직경 크기를 적절하게 제어할 수 있으며, 균일한 조성의 분산 용액을 제조 할 수 있다.
상기 용기의 회전 속도는 500RPM 내지 10,000RPM일 수 있으며, 구체적으로 2,000RPM 내지 6,000RPM일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 분산 공정 중 탄소 나노 튜브 구조체의 끊어짐 없이 직경 크기를 적절하게 제어할 수 있으며, 균일한 조성의 분산 용액을 제조 할 수 있다.
상기 비즈밀이 수행되는 시간은 0.5시간 내지 2시간일 수 있으며, 구체적으로 0.5시간 내지 1.5시간일 수 있으며, 보다 구체적으로 0.8시간 내지 1시간일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 분산 공정 중 탄소 나노 튜브 구조체의 끊어짐 없이 직경 크기를 적절하게 제어할 수 있으며, 균일한 조성의 분산 용액을 제조 할 수 있다. 상기 비즈밀 수행 시간은 비즈밀이 적용되는 총 시간을 의미하므로, 예컨대 몇 회의 비즈밀을 수행했다면 그 몇 회에 걸친 총 시간을 의미한다.
상기 비즈밀 조건은 번들형 단일벽 탄소 나노 튜브를 적절한 수준으로 분산시키기 위한 것이며, 구체적으로 상기 번들형 단일벽 탄소 나노 튜브들이 한 가닥의 단일벽 탄소 나노 튜브들로 완전히 분산되는 경우를 제외한다. 즉, 상기 비즈밀 조건은 상기 번들형 단일벽 탄소 나노 튜브가 적절한 수준으로 분산되어, 제조된 도전재 분산액 내에서 2개 내지 5,000개의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체가 서로 나란히 결합되어 있는 탄소 나노 튜브 구조체를 형성하기 위한 것이다. 이는 혼합액의 조성, 분산 공정(예컨대, 비즈밀 공정) 조건 등이 엄격히 조절되는 경우에 있어서만 달성될 수 있다.
상기 과정을 통해, 탄소 나노 튜브 구조체 분산액이 형성될 수 있다.
(2) 상기 그래핀 분산액, 상기 카본 블랙 분산액, 상기 탄소 나노 튜브 구조체 분산액, 및 전극 활물질을 포함하는 전극 슬러리를 형성하는 단계(S2)
상기와 같은 과정을 통해 그래핀 분산액, 카본 블랙 분산액, 및 탄소 나노 튜브 구조체 분산액이 제조되면, 상기 분산액들과 전극 활물질을 포함하는 전극 슬러리를 형성한다. 이때, 상기 전극 활물질로는 상술한 전극 활물질들이 사용될 수 있다.
또한, 상기 전극 슬러리에는 필요에 따라, 바인더 및 용매가 더 포함될 수 있다. 이때, 상기 바인더로는 상술한 실시예의 바인더가 사용될 수 있다. 상기 용매로는, 예를 들면, 디메틸포름아미드(DMF), 디에틸 포름아미드, 디메틸 아세트아미드(DMAc), N-메틸 피롤리돈(NMP) 등의 아미드계 극성 유기 용매; 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올(이소프로필 알코올), 1-부탄올(n-부탄올), 2-메틸-1-프로판올(이소부탄올), 2-부탄올(sec-부탄올), 1-메틸-2-프로판올(tert-부탄올), 펜탄올, 헥산올, 헵탄올 또는 옥탄올 등의 알코올류; 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 1,3-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 또는 헥실렌글리콜 등의 글리콜류; 글리세린, 트리메티롤프로판, 펜타에리트리톨, 또는 소르비톨 등의 다가 알코올류; 에틸렌글리콜모노 메틸에테르, 디에틸렌글리콜모노 메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 모노 메틸에테르, 테트라 에틸렌글리콜모노 메틸에테르, 에틸렌글리콜모노 에틸에테르, 디에틸렌글리콜모노 에틸에테르, 트리에틸렌글리콜 모노 에틸에테르, 테트라 에틸렌글리콜모노 에틸에테르, 에틸렌글리콜모노 부틸 에테르, 디에틸렌글리콜모노 부틸 에테르, 트리에틸렌글리콜 모노 부틸 에테르, 또는 테트라 에틸렌글리콜모노 부틸 에테르 등의 글리콜 에테르류; 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 메틸프로필 케톤, 또는 사이클로펜타논 등의 케톤류; 초산에틸, γ-부틸 락톤, 및 ε-프로피오락톤 등의 에스테르류 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 용매는 선 분산액에 사용된 분산매와 동일하거나 상이할 수 있으며, 바람직하게는 N-메틸피롤리돈(NMP, N-methylpyrrolidone일 수 있다.
다음으로, 상기와 같이 제조된 전극 슬러리를 건조시켜 전극 활물질층을 형성한다. 구체적으로는, 상기 전극 활물질층은 전극 집전체 상에 전극 슬러리를 도포한 후, 건조하는 방법, 또는 전극 슬러리를 별도의 지지체 상에 도포한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 집전체 상에 라미네이션하는 방법을 통해 형성할 수 있다. 필요에 따라, 상기와 같은 방법을 통해 전극 활물질층이 형성한 다음, 압연하는 공정을 추가로 실시할 수 있다. 이때, 건조 및 압연을 최종적으로 제조하고자 하는 전극의 물성을 고려하여 적절한 조건에서 수행될 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
이차 전지
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지는 음극, 양극, 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막, 및 전해질을 포함할 수 있으며, 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 어느 하나는 상술한 다른 실시예의 전극일 수 있다. 보다 구체적으로, 상술한 다른 실시예의 전극은 본 실시예의 양극일 수 있다.
상기 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 1종을 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 일 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, 구체적인 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 더 자세히 설명한다.
제조예 1: 그래핀 분산액의 제조
화학적으로 팽창 처리된 그래핀(분말 형태), 분산제인 수소화 니트릴 부타디엔 고무(H-NBR), 분산매인 N-메틸피롤리돈(NMP, N-methylpyrrolidone)을 3.6:1.2:95.2 중량비로 혼합하여 혼합물을 형성하였다. 크기가 0.65mm인 비즈가 80%로 채워진 스파이크 밀에 상기 혼합물을 투입하여 분산시키고, 2kg/min의 토출 속도로 배출시켰다. 이와 같은 공정을 2회 진행하여, 화학적으로 팽창 처리된 그래핀을 완전히 분산시켜, 그래핀 분산액을 제조하였다(도 3 참조).
제조예 2: 탄소 나노 튜브 구조체 분산액의 제조
평균 직경이 1.5nm이며 평균 길이가 5㎛ 이상인 단일벽 탄소나노튜브 단위체로 이루어진 번들형 단일벽 탄소 나노 튜브(비표면적이 650m2/g)와 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF, KF9700, 중량평균분자량: 880,000g/mol)를 용매인 N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrrolidone: NMP)에 혼합하여, 고형분이 2.4중량%가 되도록 혼합물을 제조하였다.
상기 혼합물을 비즈밀(bead-mill 방식으로 교반하여 번들형 단일벽 탄소 나노 튜브를 용매 내에 분산시켜 탄소 나노 튜브 구조체 분산액을 제조하였다. 이 때, 비즈의 입경은 1mm였으며, 상기 비즈가 포함된 교반 용기의 회전 속도는 3,000RPM이었으며, 상기 교반을 60분 동안 수행하였다. 상기 탄소 나노 튜브 구조체 분산액은 2 내지 5,000개의 단일벽 탄소나노튜브 단위체들이 나란히 결합된 형태의 탄소 나노 튜브 구조체를 포함하였다(도 2의 A 참조).
상기 탄소 나노 튜브 구조체 분산액 내에서 상기 탄소 나노 튜브 구조체는 0.4중량%, 상기 수소화 부타디엔 고무는 2.0중량%였다.
제조예 3: 카본 블랙 분산액의 제조
비표면적이 240m2/g인 카본 블랙(평균 직경이 25nm인 1차 입자들로 이루어진 2차 입자 형태)과 수소화 니트릴 부타디엔 고무(중량평균분자량: 260,000g/mol)를 용매인 N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrrolidone: NMP)에 혼합하여, 고형분이 16.5중량%가 되도록 혼합물을 제조하였다.
상기 혼합물을 비즈밀(beads-mill) 방식으로 교반하여 상기 카본 블랙을 용매 내에 분산시켜 카본 블랙 분산액을 제조하였다. 이 때, 비즈의 입경은 1mm였으며, 상기 비즈가 포함된 교반 용기의 회전 속도는 3,000RPM이었으며, 상기 교반을 60분 동안 수행하였다.
상기 카본 블랙 분산액 내에서 상기 카본 블랙은 15중량%, 상기 수소화 부타디엔 고무는 1.5중량%였다.
실시예 1: 양극의 제조
제조예 1의 그래핀 분산액, 제조예 2의 탄소 나노 튜브 구조체 분산액, 제조예 3의 카본 블랙 분산액, 양극 활물질인 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622), 바인더(PVDF, KF9700)를 N-메틸피롤리돈(NMP, N-methylpyrrolidone)과 혼합하여 고형분 함량이 70.4%인 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 20㎛ 두께의 Al 박막 집전체 상에 도포한 후, 130℃에서 건조시키고 압연하여 양극 활물질층을 포함하는 양극을 제조하였다.
상기 양극 활물질층에서 상기 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)은 97.5중량%, 상기 바인더는 1.04중량%, 상기 수소화 니트릴 부타디엔 고무는 0.06중량%, 상기 폴리비닐리덴 플루오라이드는 0.4중량%, 상기 그래핀은 0.3중량%, 상기 탄소 나노 튜브 구조체는 0.1중량%, 상기 카본 블랙은 0.6중량%로 포함된다.
비교예 1: 양극의 제조
제조예 1의 그래핀 분산액을 사용하지 않은 점을 제외하고는. 실시예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.
비교예 2: 양극의 제조
제조예 2의 탄소나노튜브 구조체 분산액을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.
비교예 3: 양극의 제조
제조예 3의 카본블랙 구조체 분산액을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.
실험예
실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 양극에 대해 4 probe 측정 방식을 사용하는 MP test기(제조사: Hioki)로 활물질 저항 및 계면 저항을 측정한 뒤, 표 1에 나타내었다.
그래핀 함량(중량%) 탄소나노튜브 구조체 함량(중량%) 카본 블랙 함량(중량%) 활물질 저항(ohm·cm) 계면 저항(ohm·cm2)
실시예 1 0.3 0.1 0.6 1.82 0.07
비교예 1 - 0.1 0.9 5.71 0.19
비교예 2 0.3 - 0.7 7.13 0.5
비교예 3 0.3 0.1 - 7.82 0.37
상기 함량은 각각 양극 활물질층 전체 100중량%를 기준으로 한다.

Claims (16)

  1. 전극 활물질층을 포함하고,
    상기 전극 활물질층은 전극 활물질 및 도전재를 포함하며,
    상기 도전재는,
    그래핀;
    2개 내지 5,000개의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체가 서로 결합된 탄소 나노 튜브 구조체; 및
    카본 블랙;을 포함하며,
    상기 탄소 나노 튜브 구조체는 상기 전극 활물질층 내에 0.01중량% 내지 0.5중량%로 포함되는 전극.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀의 평균 길이는 0.1㎛ 내지 100㎛인 전극.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀의 평균 두께는 0.3nm 내지 300nm인 전극.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀의 BET 비표면적은 100m2/g 내지 500m2/g인 전극.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀은 상기 전극 활물질층 내에 0.01중량% 내지 1.0중량%로 포함되는 전극.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 내에서, 상기 탄소 나노 튜브 구조체들은 서로 연결되어 망 구조를 나타내는 전극.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 나노 튜브 구조체 내에서,
    상기 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체들이 나란하게 배열되어 결합되어 있는 전극.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 나노 튜브 구조체의 평균 길이는 1㎛ 내지 500㎛인 전극.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 나노 튜브 구조체의 평균 길이는 10㎛ 내지 70㎛인 전극.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 나노 튜브 구조체의 평균 직경은 2nm 내지 200nm인 전극.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 나노 튜브 구조체의 평균 직경은 50nm 내지 120nm 인 전극.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 카본 블랙의 평균 입경(D50)은 1nm 내지 500nm인 전극.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 카본 블랙은 상기 전극 활물질층 내에 0.01중량% 내지 1중량%로 포함되는 전극.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀, 상기 탄소 나노 튜브 구조체, 및 상기 카본 블랙의 중량비는 0.01 내지 3 : 0.01 내지 0.5 : 0.1 내지 10인 전극.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 나노 튜브 구조체는 50개 내지 4,000개의 단일벽 탄소 나노 튜브 단위체가 서로 결합된 탄소 나노 튜브 구조체인 전극.
  16. 청구항 1의 전극을 포함하는 이차 전지.
PCT/KR2020/013394 2019-10-04 2020-09-29 전극 및 이를 포함하는 이차 전지 WO2021066557A1 (ko)

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