KR102253133B1 - Binder for electrode, anode including the same and lithium secondary battery including the anode - Google Patents
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Abstract
본 발명은 붕소산 가교제; 및 2 이상의 구아검 분자들을 포함하되, 상기 붕소산 가교제는, 상기 2 이상의 구아검 분자들 각각에 존재하는 수산화기와 화학결합이 가능하고, 상기 2 이상의 구아검 분자들은 상기 붕소산 가교제에 의해 서로 가교되어 네트워크 구조를 형성한 전극용 바인더, 이를 포함하는 애노드 및 상기 애노드를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 바인더는 실리콘계 애노드의 내구성을 향상시키는 역할을 하고, 본 발명에 따른 전극용 바인더가 적용된 애노드를 포함하는 리튬 이차전지의 초기 충방전 성능과 수명특성이 개선된다.The present invention is a boronic acid crosslinking agent; And two or more guar gum molecules, wherein the boric acid crosslinking agent is capable of chemical bonding with a hydroxyl group present in each of the two or more guar gum molecules, and the two or more guar gum molecules are crosslinked with each other by the boronic acid crosslinking agent. The present invention relates to a binder for electrodes having a network structure, an anode including the same, and a lithium secondary battery including the anode.
The electrode binder according to an embodiment of the present invention serves to improve the durability of the silicon-based anode, and the initial charge/discharge performance and life characteristics of a lithium secondary battery including the anode to which the electrode binder according to the present invention is applied are improved. .
Description
본 발명은 전극용 바인더, 이를 포함하는 애노드 및 상기 애노드를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 네트워크 구조를 형성한 구아검을 포함하는 전극용 바인더, 이를 포함하는 애노드 및 상기 애노드를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a binder for an electrode, an anode comprising the same, and a lithium secondary battery comprising the anode, and in more detail, a binder for an electrode comprising guar gum having a network structure, an anode comprising the same, and the anode comprising the It relates to a lithium secondary battery.
리튬 이차전지는 에너지밀도가 높아 소형 IT 기기부터 전기자동차와 같은 중대형 전원으로 적용 분야가 확장됨에 따라 고에너지 밀도에 대한 요구가 늘어나고 있는데, 기존의 흑연을 활물질로 사용하는 애노드로는 이러한 니즈를 충족시키지 못한다.Lithium secondary batteries have a high energy density, and as the application field expands from small IT devices to mid- to large-sized power sources such as electric vehicles, the demand for high energy density is increasing.The anode using conventional graphite as an active material meets these needs. I can't.
차세대 애노드 활물질로서 실리콘계 활물질이 오래 전부터 고려되어 왔으나 충/방전시 리튬 이온의 흡장 및 탈리에 의한 극심한 부피팽창(~ 300%)은 전극 퇴화를 촉진하여 실리콘계 재료의 상용화에 있어 최대의 걸림돌이 되고 있다.Silicon-based active materials have long been considered as the next-generation anode active material, but extreme volume expansion (~ 300%) due to occlusion and desorption of lithium ions during charging/discharging promotes electrode deterioration, becoming the biggest obstacle in commercialization of silicon-based materials. .
이러한 부피 변화는 실리콘계 활물질의 파쇄를 초래하여 새로운 계면을 노출시키고 노출된 계면은 전해액과의 부반응에 의한 새로운 SEI(부동태 피막)를 형성함으로써 지속적인 리튬 이온 및 전해액의 소모가 발생한다.This volume change causes crushing of the silicon-based active material to expose a new interface, and the exposed interface forms a new SEI (passive film) due to a side reaction with the electrolyte, resulting in continuous consumption of lithium ions and electrolyte.
이렇게 파쇄된 실리콘 조각들은 원래의 도전구조로부터 이탈하여 충/방전에 참여할 수 없는 데드 페이스(dead phase)를 형성하고, 이는 수명 퇴화가 일어나는 원인이 되고 있다.The pieces of silicon thus crushed form a dead phase that cannot participate in charging/discharging by being separated from the original conductive structure, which causes life to deteriorate.
그리고, 외부적으로 극심한 부피팽창은 전극의 두께를 증가시켜 배터리의 물리적인 두께가 늘어나게 되고, 이로 인해 배터리 팩의 설계에도 중대한 문제를 유발하게 된다.In addition, externally, the extreme volume expansion increases the thickness of the electrode, thereby increasing the physical thickness of the battery, thereby causing a serious problem in the design of the battery pack.
이러한 문제점들을 해결하고자 많은 시도가 있었으나 대부분은 복합체 또는 구조체 형태의 활물질을 제조하여 활물질 자체에서 부피변화를 수용하는 컨셉으로 개발이 진행되고 있다.There have been many attempts to solve these problems, but most of them are being developed as a concept that accommodates volume change in the active material itself by manufacturing an active material in the form of a composite or structure.
바인더는 전극의 일체성을 부여하는 매우 중요한 부재료로서, 활물질의 도전구조를 유지하는데 큰 역할을 함에도 기존의 바인더(SBR/CMC 등) 외에 적용할 만한 수계 바인더는 아직 부족한 것이 현실이다.A binder is a very important material that imparts the integrity of an electrode, and although it plays a large role in maintaining the conductive structure of an active material, there is still a lack of aqueous binders that can be applied in addition to the existing binders (SBR/CMC, etc.).
그리고, 상기 SBR/CMC 바인더는 흑연계 애노드 활물질에 사용하는 수계 바인더로서, 실리콘계 애노드처럼 부피변화가 극심한 흡장 및 탈리 시스템에는 적절치 않아 신규한 바인더 시스템이 필요한 실정이다.In addition, the SBR/CMC binder is an aqueous binder used for a graphite-based anode active material, and is not suitable for an occlusion and desorption system having an extreme volume change like a silicon-based anode, so a new binder system is required.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 리튬 이온의 흡장 및 방출에 따라 부피변화가 큰 고용량의 전극 활물질과 함께 사용되는 전극용 바인더로서, 네트워크 구조를 형성한 구아검을 포함하는 전극용 바인더, 이를 포함하는 애노드 및 상기 애노드를 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.Therefore, the problem to be solved by the present invention is an electrode binder used with a high-capacity electrode active material having a large volume change according to the occlusion and release of lithium ions, and an electrode binder including guar gum having a network structure, It is to provide an anode including and a lithium secondary battery including the anode.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 붕소산 가교제; 및 2 이상의 구아검 분자들을 포함하되, 상기 붕소산 가교제는, 상기 2 이상의 구아검 분자들 각각에 존재하는 수산화기와 화학결합이 가능하고, 상기 2 이상의 구아검 분자들은 상기 붕소산 가교제에 의해 서로 가교되어 네트워크 구조를 형성한 전극용 바인더가 제공된다.In order to solve the above problems, according to an aspect of the present invention, a boric acid crosslinking agent; And two or more guar gum molecules, wherein the boric acid crosslinking agent is capable of chemical bonding with a hydroxyl group present in each of the two or more guar gum molecules, and the two or more guar gum molecules are crosslinked with each other by the boronic acid crosslinking agent. Thus, a binder for electrodes having a network structure is provided.
여기서, 상기 붕소산 가교제는, 폴리에틸렌 글리콜 단위체를 포함하는 것일 수 있다.Here, the boronic acid crosslinking agent may include a polyethylene glycol unit.
그리고, 상기 붕소산 가교제와 상기 구아검 분자의 중량비는 0.5:14.5 내지 2:13일 수 있다.In addition, the weight ratio of the boronic acid crosslinking agent and the guar gum molecule may be 0.5:14.5 to 2:13.
한편, 상기 붕소산 가교제의 중량 평균 분자량은, 10,551 g/mol 내지 15,678 g/mol일 수 있다.Meanwhile, the weight average molecular weight of the boronic acid crosslinking agent may be 10,551 g/mol to 15,678 g/mol.
그리고, 상기 전극용 바인더는, 리튬 이차전지 애노드용 바인더일 수 있다.In addition, the binder for the electrode may be a binder for an anode of a lithium secondary battery.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 집전체; 및 상기 집전체의 적어도 일면에 형성되고, 실리콘계 애노드 활물질, 도전재 및 전극용 바인더를 포함하는 애노드 활물질층을 포함하는 애노드로서, 상기 전극용 바인더는 전술한 본 발명의 전극용 바인더인 것을 특징으로 하는 애노드가 제공된다.On the other hand, according to another aspect of the present invention, the current collector; And an anode active material layer formed on at least one surface of the current collector and including a silicon-based anode active material, a conductive material, and a binder for an electrode, wherein the binder for the electrode is the binder for the electrode of the present invention. An anode is provided.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 캐소드, 애노드, 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 개재된 세퍼레이터 및 비수 전해액을 포함하는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 애노드는, 전술한 본 발명의 애노드인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지가 제공된다.Meanwhile, according to another aspect of the present invention, in a lithium secondary battery including a cathode, an anode, a separator interposed between the cathode and the anode, and a non-aqueous electrolyte, the anode is the anode of the present invention. A lithium secondary battery is provided.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 바인더는 실리콘계 애노드의 내구성을 향상시키는 역할을 한다.The binder for an electrode according to an embodiment of the present invention serves to improve the durability of the silicon-based anode.
그리고, 본 발명에 따른 전극용 바인더가 적용된 애노드를 포함하는 리튬 이차전지의 초기 충방전 성능과 수명특성이 개선된다.In addition, initial charge/discharge performance and life characteristics of a lithium secondary battery including an anode to which an electrode binder according to the present invention is applied are improved.
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 실시예 및 비교예에 따른 리튬 이차전지의 초기 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 리튬 이차전지의 수명특성을 나타낸 그래프이다.The following drawings attached to the present specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention together with the contents of the above-described invention, so the present invention is limited to the matters described in such drawings. It is limited and should not be interpreted.
1 is a graph showing initial charge/discharge characteristics of lithium secondary batteries according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
2 is a graph showing the life characteristics of lithium secondary batteries according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 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.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The terms or words used in the specification and claims should not be construed as being limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to describe his own invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is.
본 발명에 따른 전극용 바인더는, 붕소산 가교제; 및 2 이상의 구아검 분자들을 포함하되, 상기 붕소산 가교제는, 상기 2 이상의 구아검 분자들 각각에 존재하는 수산화기와 화학결합이 가능하고, 상기 2 이상의 구아검 분자들은 상기 붕소산 가교제에 의해 서로 가교되어 네트워크 구조를 형성한다.The binder for an electrode according to the present invention includes a boric acid crosslinking agent; And two or more guar gum molecules, wherein the boric acid crosslinking agent is capable of chemical bonding with a hydroxyl group present in each of the two or more guar gum molecules, and the two or more guar gum molecules are crosslinked with each other by the boronic acid crosslinking agent. To form a network structure.
구아검(Guar gum)은 자연에서 추출되는 천연 비이온성 다당류(natural nonionic polysaccharide)로서, 물에 잘 녹고 환경친화적이며 필름 형성이 용이하여 신규한 바인더로서 연구가 진행되고 있다. 이러한 구아검은 다당류 백본(polysaccharide backbone)을 가지므로, 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 구조가 유사한 특징이 있다.Guar gum is a natural nonionic polysaccharide extracted from nature. It is well soluble in water, environmentally friendly, and easy to form a film, so research is being conducted as a novel binder. Since this guar gum has a polysaccharide backbone, it has a characteristic similar in structure to carboxymethyl cellulose (CMC).
종래에는, 주로 구아검 자체를 전극용 바인더로 적용한 실리콘계 애노드의 성능을 평가한 연구가 진행되었다.Conventionally, studies have been conducted to evaluate the performance of a silicon-based anode in which guar gum itself is applied as a binder for electrodes.
그러나, 본 발명에서는 구아검의 다당류 링(polysaccharide ring)에 많이 존재하는 인접한 수산화기(vicinal hydroxyl group(-OH))에 화학적으로 결합할 수 있는 붕소산 가교제를 이용하여, 상기 2 이상의 구아검 분자들이 서로 가교되어 형성된 네트워크 구조의 전극용 바인더를 제공한다.However, in the present invention, by using a boronic acid crosslinking agent capable of chemically binding to a vicinal hydroxyl group (-OH) present in many polysaccharide rings of guar gum, the two or more guar gum molecules are It provides a binder for electrodes having a network structure formed by crosslinking each other.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 바인더가 적용된 리튬 이차전지는, 가교되지 않은 구아검을 바인더로 사용하는 경우에 비해, 초기 충방전 성능과 수명특성이 개선되는 효과가 발생하는데, 이는 상기 전극용 바인더를 사용함으로써 전극의 내구성이 향상되었기 때문이다.The lithium secondary battery to which the binder for an electrode according to an embodiment of the present invention is applied has an effect of improving initial charge/discharge performance and life characteristics compared to the case of using non-crosslinked guar gum as a binder, which is for the electrode. This is because the durability of the electrode is improved by using the binder.
이때, 상기 붕소산 가교제는, 폴리에틸렌 글리콜 단위체를 포함하는 것일 수 있는데, 이러한 폴리에틸렌 글리콜 단위체를 포함함으로써 수용성을 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.At this time, the boronic acid crosslinking agent may include a polyethylene glycol unit, and there is an advantage of increasing water solubility by including the polyethylene glycol unit.
그리고, 상기 붕소산 가교제와 상기 구아검 분자의 중량비는 0.5:14.5 내지 2:13일 수 있다. 이러한 수치범위를 만족하면, 가교의 밀도가 너무 높지 않고, 적절한 밀도로 가교가 되도록 조절함으로써, 전극 활물질의 큰 부피변화에 상기 전극용 바인더가 완충작용을 하는 효과를 발휘할 수 있다.In addition, the weight ratio of the boronic acid crosslinking agent and the guar gum molecule may be 0.5:14.5 to 2:13. If this numerical range is satisfied, the density of the crosslinking is not too high, and by adjusting the crosslinking to an appropriate density, the electrode binder can exhibit an effect of buffering a large volume change of the electrode active material.
한편, 상기 붕소산 가교제의 중량 평균 분자량은, 10,551 g/mol 내지 15,678 g/mol일 수 있다. 이처럼 고분자에 해당하는 붕소산 가교제는 다른 가교제와 달리 풍부한 가교연결 작용기를 가지고 있어, 하나의 분자로도 다량의 구아검 분자를 가교시킬 수 있다. 또한, 이러한 중량 평균 분자량을 갖는 붕소산 가교제는 외부장력에 대해 뛰어난 내구성을 가지고 있어, 가교 이후에도 일반적인 가교제에 비해 전극 활물질을 효과적으로 바인딩해주는 역할을 할 수 있다.Meanwhile, the weight average molecular weight of the boronic acid crosslinking agent may be 10,551 g/mol to 15,678 g/mol. As such, the boronic acid crosslinking agent corresponding to the polymer has an abundant crosslinking functional group unlike other crosslinking agents, so that even a single molecule can crosslink a large amount of guar gum molecules. In addition, since the boronic acid crosslinking agent having such a weight average molecular weight has excellent durability against external tension, even after crosslinking, it may play a role of effectively binding the electrode active material compared to general crosslinking agents.
여기서, 상기 전극용 바인더는, 리튬 이차전지 애노드용 바인더일 수 있는데, 이에만 한정되는 것은 아니고, 리튬 이차전지 외의 다른 전기화학소자의 애노드 또는 캐소드의 바인더로도 사용될 수 있다.Here, the electrode binder may be a binder for a lithium secondary battery anode, but is not limited thereto, and may also be used as a binder for an anode or a cathode of an electrochemical device other than a lithium secondary battery.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 집전체; 및 상기 집전체의 적어도 일면에 형성되고, 실리콘계 애노드 활물질, 도전재 및 전극용 바인더를 포함하는 애노드 활물질층을 포함하는 애노드로서, 상기 전극용 바인더는 전술한 본 발명의 전극용 바인더인 것을 특징으로 하는 애노드가 제공된다.On the other hand, according to another aspect of the present invention, the current collector; And an anode active material layer formed on at least one surface of the current collector and including a silicon-based anode active material, a conductive material, and a binder for an electrode, wherein the binder for the electrode is the binder for the electrode of the present invention. An anode is provided.
그리고, 캐소드, 애노드, 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 개재된 세퍼레이터 및 비수 전해액을 포함하는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 애노드는, 전술한 본 발명의 애노드인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지가 제공된다.In addition, in a lithium secondary battery comprising a cathode, an anode, a separator interposed between the cathode and the anode, and a non-aqueous electrolyte, the anode is provided with a lithium secondary battery, characterized in that the anode of the present invention described above.
리튬 이차전지의 애노드에 적용되어 사용되는 애노드 활물질은 리튬 이온의 흡장 및 방출에 따라 부피 팽창이 발생한다. 특히, 상기 애노드 활물질로서 실리콘계 애노드 활물질을 사용하는 경우 부피 팽창이 더욱 심화될 수 있다. 이러한 부피 팽창으로 인해 리튬 이차전지의 사이클이 진행될수록, 애노드 활물질층의 표면에 형성되어 있던 기공의 크기가 커지면서, 크랙이 형성될 수 있으며, 이러한 크랙의 형성으로 인해 애노드 활물질층의 탈리가 발생하여, 활물질과 집전체간의 도전성이 저하될 뿐만 아니라 애노드 활물질간의 도전성이 저하됨으로써, 리튬 이차전지의 충방전 특성을 저하시켜 결국엔 리튬 이차전지의 수명 특성을 저하시키게 된다.The anode active material applied and used for the anode of a lithium secondary battery causes volume expansion according to the occlusion and release of lithium ions. In particular, when a silicon-based anode active material is used as the anode active material, volume expansion may be further increased. Due to this volume expansion, as the cycle of the lithium secondary battery progresses, the size of the pores formed on the surface of the anode active material layer increases, and cracks may be formed. , As the conductivity between the active material and the current collector decreases as well as the conductivity between the anode active material, the charge/discharge characteristics of the lithium secondary battery are deteriorated, resulting in a decrease in the life characteristics of the lithium secondary battery.
여기서, 상기 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.Here, non-limiting examples of the current collector include a foil manufactured by copper, gold, nickel, or a copper alloy, or a combination thereof.
그리고, 본 발명에 따른 리튬 이차전지는, 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 세퍼레이터와 전극의 스택(stack, lamination), 폴딩(folding) 및 스택/폴딩 공정이 가능하다.In addition, in the lithium secondary battery according to the present invention, a stack, lamination, folding, and stack/folding process of a separator and an electrode is possible in addition to winding, which is a general process.
그리고, 리튬 이차전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.In addition, the external shape of the lithium secondary battery is not particularly limited, but may be a cylindrical shape using a can, a square shape, a pouch type, or a coin type.
한편, 본 발명에 따른 리튬 이차전지에 적용될 캐소드로는 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 캐소드 활물질을 집전체에 결착된 형태로 제조할 수 있다.Meanwhile, the cathode to be applied to the lithium secondary battery according to the present invention is not particularly limited, and a cathode active material may be manufactured in a form bound to a current collector according to a conventional method known in the art.
상기 캐소드 활물질의 비제한적인 예로는 종래 리튬 이차전지의 캐소드에 사용될 수 있는 통상적인 캐소드 활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬망간 산화물, 리튬코발트 산화물, 리튬니켈 산화물, 리튬철 산화물 또는 이들을 조합한 리튬복합 산화물을 사용할 수 있다. 그리고 캐소드 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.As a non-limiting example of the cathode active material, a conventional cathode active material that can be used for the cathode of a conventional lithium secondary battery can be used, and in particular, lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium iron oxide, or a combination of these lithium composites Oxide can be used. In addition, non-limiting examples of the cathode current collector include a foil manufactured by aluminum, nickel, or a combination thereof.
한편, 본 발명에서 사용되는 세퍼레이터는 당해 분야에서 통상적으로 사용되는 다공성 고분자 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 고분자 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.Meanwhile, the separator used in the present invention can be used as long as it is a porous polymer substrate commonly used in the art, and for example, a polyolefin-based porous polymer membrane or a nonwoven fabric may be used, but is not particularly limited thereto. .
상기 폴리올레핀계 다공성 고분자 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.Examples of the polyolefin-based porous polymer membrane include polyethylene such as high-density polyethylene, linear low-density polyethylene, low-density polyethylene, and ultra-high molecular weight polyethylene, polyolefin-based polymers such as polypropylene, polybutylene, and polypentene, respectively, alone or as a mixture of them. The formed film (membrane) is mentioned.
상기 부직포로는 폴리올레핀계 부직포 외에 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트 (polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르 (polyester), 폴리아세탈 (polyacetal), 폴리아미드 (polyamide), 폴리카보네이트 (polycarbonate), 폴리이미드 (polyimide), 폴리에테르에테르케톤 (polyetheretherketone), 폴리에테르설폰 (polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드 (polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드 (polyphenylenesulfide), 폴리에틸렌나프탈렌 (polyethylenenaphthalene) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포를 들 수 있다. 부직포의 구조는 장섬유로 구성된 스폰본드 부직포 또는 멜트 블로운 부직포일 수 있다.As the nonwoven fabric, in addition to the polyolefin nonwoven fabric, for example, polyethyleneterephthalate, polybutyleneterephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, polycarbonate ), polyimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenyleneoxide, polyphenylenesulfide, polyethylenenaphthalene, etc., either alone or Nonwoven fabrics formed of polymers obtained by mixing them are exemplified. The structure of the nonwoven fabric may be a sponbond nonwoven fabric composed of long fibers or a melt blown nonwoven fabric.
상기 다공성 고분자 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 5 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있고, 다공성 고분자 기재에 존재하는 기공 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.01 ㎛ 내지 50 ㎛ 및 10 내지 95 %일 수 있다.The thickness of the porous polymer substrate is not particularly limited, but may be 5 μm to 50 μm, and the pore size and porosity present in the porous polymer substrate are also not particularly limited, but may be 0.01 μm to 50 μm and 10 to 95%, respectively. have.
또한, 상기 세퍼레이터의 기계적 강도 향상 및 리튬 이차전지의 안전성을 향상시키기 위해, 상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에, 무기물 입자와 고분자 바인더를 포함하는 다공성 코팅층을 더 포함할 수 있다.In addition, in order to improve the mechanical strength of the separator and the safety of the lithium secondary battery, a porous coating layer including inorganic particles and a polymer binder may be further included on at least one surface of the porous polymer substrate.
이러한 다공성 코팅층에 포함되는 고분자 바인더는, 상기 무기물 입자들 표면의 일부 또는 전체에 코팅되며, 상기 무기물 입자들은 밀착된 상태로 상기 고분자 바인더에 의해 서로 연결 및 고정되며, 상기 무기물 입자들 사이에 존재하는 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)으로 인해 기공들이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 다공성 코팅층의 무기물 입자들은 서로 밀착된 상태로 존재하며, 무기물 입자들이 밀착된 상태에서 생기는 인터스티셜 볼륨이 다공성 코팅층의 기공이 될 수 있다.The polymeric binder included in the porous coating layer is coated on a part or all of the surfaces of the inorganic particles, and the inorganic particles are connected and fixed to each other by the polymeric binder in an intimate state, and exist between the inorganic particles. It is preferable that pores are formed due to an interstitial volume. That is, the inorganic particles of the porous coating layer exist in close contact with each other, and the interstitial volume generated when the inorganic particles are in close contact may become pores of the porous coating layer.
한편, 본 발명에서 사용될 수 있는 비수 전해액에 포함되는 전해질 염은 리튬염이다. 상기 리튬염은 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- , CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.On the other hand, the electrolyte salt contained in the non-aqueous electrolyte solution that can be used in the present invention is a lithium salt. As the lithium salt, those commonly used in an electrolyte solution for a lithium secondary battery may be used without limitation. For example is the above lithium salt anion F -, Cl -, Br - , 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 -, It may be any one selected from the group consisting of SCN- and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N -.
전술한 비수 전해액에 포함되는 유기 용매로는 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들을 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들면 에테르, 에스테르, 아미드, 선형 카보네이트, 환형 카보네이트 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.As organic solvents included in the above-described non-aqueous electrolyte, those commonly used in electrolytes for lithium secondary batteries can be used without limitation, and for example, ethers, esters, amides, linear carbonates, cyclic carbonates, etc. can be used alone or in two or more types. It can be mixed and used.
그 중에서 대표적으로는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 또는 이들의 혼합물인 카보네이트 화합물을 포함할 수 있다.Among them, representatively, a cyclic carbonate, a linear carbonate, or a carbonate compound that is a mixture thereof may be included.
상기 환형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 및 이들의 할로겐화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 있다. 이들의 할로겐화물로는 예를 들면, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.Specific examples of the cyclic carbonate compound include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, Any one selected from the group consisting of 2,3-pentylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, and halides thereof, or a mixture of two or more thereof. Examples of these halides include, but are not limited to, fluoroethylene carbonate (FEC).
또한 상기 선형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, specific examples of the linear carbonate compound include any one selected from the group consisting of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethylmethyl carbonate (EMC), methylpropyl carbonate, and ethylpropyl carbonate, or these A mixture of two or more of them may be representatively used, but is not limited thereto.
특히, 상기 카보네이트계 유기용매 중 환형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 보다 더 잘 해리시킬 수 있으며, 이러한 환형 카보네이트에 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 보다 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있다.In particular, among the carbonate-based organic solvents, ethylene carbonate and propylene carbonate, which are cyclic carbonates, are organic solvents of high viscosity and have a high dielectric constant, so that lithium salts in the electrolyte can be more easily dissociated, such as dimethyl carbonate and diethyl carbonate. If a low viscosity, low dielectric constant linear carbonate is mixed in an appropriate ratio and used, an electrolyte solution having a higher electrical conductivity can be prepared.
또한, 상기 유기 용매 중 에테르로는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르 및 에틸프로필 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, as the ether of the organic solvent, any one selected from the group consisting of dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methylethyl ether, methylpropyl ether, and ethylpropyl ether, or a mixture of two or more thereof may be used. , But is not limited thereto.
그리고 상기 유기 용매 중 에스테르로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.And esters in the organic solvent include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-caprolactone, σ-valerolactone, and Any one selected from the group consisting of ε-caprolactone, or a mixture of two or more of them may be used, but is not limited thereto.
상기 비수 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 리튬 이차전지의 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 리튬 이차전지 조립 전 또는 리튬 이차전지 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.The injection of the non-aqueous electrolyte may be performed at an appropriate step in the manufacturing process of the lithium secondary battery according to the manufacturing process and required physical properties of the final product. That is, it can be applied before assembling the lithium secondary battery or in the final stage of assembling the lithium secondary battery.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, examples will be described in detail in order to describe the present invention in detail. However, the embodiments according to the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely describe the present invention to those of ordinary skill in the art.
실리콘계 전극 활물질 슬러리의 제조Preparation of silicon-based electrode active material slurry
(1) 실시예 1-1(1) Example 1-1
전극 활물질로서, 50 nm 이하의 실리콘 나노입자를 사용하였고, 도전재로는 수퍼-P를 사용하였으며, 바인더로서 네트워크 구조의 구아검을 혼합하여 전극 활물질 슬러리를 제조하였다. 물이 상기 바인더를 용해시키는 용매의 역할을 하였다. 이때, 상기 애노드 활물질, 도전재 및 바인더는 70:15:15의 중량비가 되도록 혼합하였으며, 상기 네트워크 구조의 구아검 바인더는 구아검과 붕소산 가교제가 14.25:0.75의 중량비로 혼합되어 가교가 이루어졌다.Silicon nanoparticles of 50 nm or less were used as an electrode active material, Super-P was used as a conductive material, and guar gum having a network structure was mixed as a binder to prepare an electrode active material slurry. Water served as a solvent for dissolving the binder. At this time, the anode active material, the conductive material, and the binder were mixed in a weight ratio of 70:15:15, and the guar gum binder of the network structure was crosslinked by mixing guar gum and a boronic acid crosslinking agent in a weight ratio of 14.25:0.75. .
(2) 실시예 2-1(2) Example 2-1
구아검과 붕소산 가교제가 13.5:1.5의 중량비로 혼합되어 가교되어 형성된 네트워크 구조의 구아검 바인더를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 전극 활물질 슬러리를 제조하였다.An electrode active material slurry was prepared in the same manner as in Example 1-1, except that a guar gum binder having a network structure formed by crosslinking the guar gum and boronic acid crosslinking agent was mixed at a weight ratio of 13.5:1.5.
(3) 비교예 1-1(3) Comparative Example 1-1
네트워크 구조의 구아검 바인더 대신, 같은 함량의 SBR/CMC(SBR과 CMC의 중량비는 7:3)를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 전극 활물질 슬러리를 제조하였다.An electrode active material slurry was prepared in the same manner as in Example 1-1, except that the same content of SBR/CMC (a weight ratio of SBR and CMC was 7:3) was used instead of a network structured guar gum binder.
(4) 비교예 2-1(4) Comparative Example 2-1
네트워크 구조의 구아검 바인더 대신, 같은 함량의 가교되지 않은 구아검을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 전극 활물질 슬러리를 제조하였다.An electrode active material slurry was prepared in the same manner as in Example 1-1, except that an uncrosslinked guar gum of the same amount was used instead of the network structured guar gum binder.
반쪽 셀의 제조Preparation of half cell
(1) 실시예 1-2(1) Example 1-2
상기 실시예 1-1에서 제조된 실리콘계 전극 활물질 슬러리를 통상적인 방법으로 구리(Cu) 호일 집전체에 코팅하여, 전극을 제조하였다. 이렇게 제조된 전극을 양극으로, 리튬 금속을 음극으로 설정하였으며, 상기 전극 사이에 폴리에틸렌 다공성 고분자 막을 개재시켜 만든 전극조립체를 이용하여 코인형 반쪽 셀을 제조하였다. 이때, 비수 전해액으로는 EC:DEC = 3:7의 부피비가 되도록 혼합된 비수용매에, 1.3M LiPF6 리튬염과 10 중량% FEC가 첨가제로 혼합된 것을 사용하였다.The silicon-based electrode active material slurry prepared in Example 1-1 was coated on a copper (Cu) foil current collector by a conventional method to prepare an electrode. The thus-prepared electrode was set as a positive electrode and lithium metal as a negative electrode, and a coin-shaped half cell was manufactured using an electrode assembly made by interposing a polyethylene porous polymer membrane between the electrodes. At this time, as the non-aqueous electrolyte, a mixture of 1.3M LiPF 6 lithium salt and 10% by weight FEC as an additive was used in a non-aqueous solvent mixed so as to have a volume ratio of EC:DEC = 3:7.
(2) 실시예 2-2(2) Example 2-2
양극으로 실시예 2-1에서 제조된 전극 활물질 슬러리를 이용하여 제조된 양극을 사용하는 것을 제외하고 실시예 1-2와 동일한 방법으로 코인형 반쪽 셀을 제조하였다.A coin-shaped half-cell was manufactured in the same manner as in Example 1-2, except that a positive electrode prepared using the electrode active material slurry prepared in Example 2-1 was used as the positive electrode.
(3) 비교예 1-2(3) Comparative Example 1-2
양극으로 비교예 1-1에서 제조된 전극 활물질 슬러리를 이용하여 제조된 양극을 사용하는 것을 제외하고 실시예 1-2와 동일한 방법으로 코인형 반쪽 셀을 제조하였다.A coin-shaped half-cell was manufactured in the same manner as in Example 1-2, except that a positive electrode prepared using the electrode active material slurry prepared in Comparative Example 1-1 was used as the positive electrode.
(4) 비교예 2-2(4) Comparative Example 2-2
양극으로 비교예 2-1에서 제조된 전극 활물질 슬러리를 이용하여 제조된 양극을 사용하는 것을 제외하고 실시예 1-2와 동일한 방법으로 코인형 반쪽 셀을 제조하였다.A coin-shaped half-cell was manufactured in the same manner as in Example 1-2, except that a positive electrode prepared using the electrode active material slurry prepared in Comparative Example 2-1 was used as the positive electrode.
반쪽 셀의 사이클 특성 평가Evaluation of the cycle characteristics of the half cell
상기 제조된 코인형 반쪽 셀을 이용하여, 초기 충방전 특성을 측정하여 아래의 표 1 및 도 1에 나타내었다.Using the coin-shaped half-cell prepared above, initial charge/discharge characteristics were measured and shown in Table 1 and FIG. 1 below.
상기 표 1 및 도 1을 살펴보면, 네트워크 구조가 아닌 일반적인 구아검을 사용한 비교예 2-2의 경우, 충방전 용량이 가장 작다는 것을 알 수 있다.Referring to Table 1 and FIG. 1, it can be seen that in the case of Comparative Example 2-2 using a general guar gum instead of a network structure, the charge/discharge capacity is the smallest.
또한, 일반적인 수계 바인더를 사용한 비교예 1-2의 경우, 충전 용량이 가장 크기는 하지만, 실시예들에 비해 초기 충방전 효율은 떨어졌음을 알 수 있다.In addition, in the case of Comparative Example 1-2 using a general aqueous binder, although the charging capacity is the largest, it can be seen that the initial charging and discharging efficiency is lower than that of the examples.
나아가, 상기 제조된 코인형 반쪽 셀을 이용하여, 연속적인 충방전 사이클을 진행한 후, 용량 유지율을 측정하여 아래의 표 2 및 도 2에 나타내었다.Further, using the coin-shaped half-cell prepared above, after a continuous charge/discharge cycle was performed, the capacity retention rate was measured and shown in Table 2 and FIG. 2 below.
상기 표 2 및 도 2를 살펴보면, 네트워크 구조가 아닌 일반적인 구아검을 사용한 비교예 2-2의 경우, 용량 유지율이 50 % 정도로 가장 낮았다.Referring to Table 2 and FIG. 2, in the case of Comparative Example 2-2 using a general guar gum instead of a network structure, the capacity retention rate was the lowest at about 50%.
한편, 실시예 1-2의 경우 용량 유지율이 63 % 정도로 측정되었는데, 다른 실험예들과 비교하여 가장 성능이 뛰어나다는 것을 알 수 있다.On the other hand, in the case of Example 1-2, the capacity retention rate was measured to be about 63%, but it can be seen that the performance is the best compared to other experimental examples.
참고로, 실시예 2-2의 경우, 비교예 2-2의 경우에 비해 현저히 향상된 용량 및 용량 유지율을 나타내지만, 비교예 1-2의 경우에 비해서는 낮은 용량과 용량 유지율을 보인다. 이러한 이유는, 가교밀도가 비교적 높아짐으로 인해, 전극용 바인더의 경도도 높아져, 전극 활물질의 큰 부피변화를 견디기에는 연성이 다소 부족해진 것으로 예측이 된다.For reference, in the case of Example 2-2, compared to the case of Comparative Example 2-2, the capacity and capacity retention rate were significantly improved, but compared to the case of Comparative Example 1-2, the capacity and capacity retention rate were lower. The reason for this is that due to the relatively high crosslinking density, the hardness of the electrode binder is also increased, and it is predicted that the ductility is somewhat insufficient to withstand a large volume change of the electrode active material.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain the technical idea, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
Claims (7)
상기 붕소산 가교제는, 상기 2 이상의 구아검 분자들 각각에 존재하는 수산화기와 화학결합이 가능하고,
상기 2 이상의 구아검 분자들의 수산화기가 상기 붕소산 가교제에 의해 서로 가교되어 네트워크 구조를 형성한 전극용 바인더.Boronic acid crosslinking agents; And two or more guar gum molecules,
The boric acid crosslinking agent is capable of chemical bonding with a hydroxyl group present in each of the two or more guar gum molecules,
A binder for an electrode in which the hydroxyl groups of the two or more guar gum molecules are crosslinked with each other by the boric acid crosslinking agent to form a network structure.
상기 붕소산 가교제는, 폴리에틸렌 글리콜 단위체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극용 바인더.The method of claim 1,
The boronic acid crosslinking agent is a binder for an electrode, characterized in that it contains a polyethylene glycol unit.
상기 붕소산 가교제와 상기 구아검 분자의 중량비는 0.5:14.5 내지 2:13인 것을 특징으로 하는 전극용 바인더.The method of claim 1,
The binder for an electrode, characterized in that the weight ratio of the boronic acid crosslinking agent and the guar gum molecule is 0.5:14.5 to 2:13.
상기 붕소산 가교제의 중량 평균 분자량은, 10,551 g/mol 내지 15,678 g/mol인 것을 특징으로 하는 전극용 바인더.The method of claim 1,
The weight average molecular weight of the boronic acid crosslinking agent is 10,551 g/mol to 15,678 g/mol.
상기 전극용 바인더는, 리튬 이차전지 애노드용 바인더인 것을 특징으로 하는 전극용 바인더.The method of claim 1,
The electrode binder is a binder for an electrode, characterized in that the binder for a lithium secondary battery anode.
상기 집전체의 적어도 일면에 형성되고, 실리콘계 애노드 활물질, 도전재 및 전극용 바인더를 포함하는 애노드 활물질층을 포함하는 애노드로서,
상기 전극용 바인더는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 전극용 바인더인 것을 특징으로 하는 애노드.Current collector; And
An anode formed on at least one surface of the current collector and including an anode active material layer including a silicon-based anode active material, a conductive material, and a binder for an electrode,
The anode for the electrode, characterized in that the binder for the electrode of any one of claims 1 to 5.
상기 애노드는, 제6항의 애노드인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.In the lithium secondary battery comprising a cathode, an anode, a separator interposed between the cathode and the anode, and a non-aqueous electrolyte,
The anode is a lithium secondary battery, characterized in that the anode of claim 6.
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Legal Events
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