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KR102254067B1 - Binder for electrodes of secondary battery and method for manufacturing the same - Google Patents

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KR102254067B1
KR102254067B1 KR1020200100701A KR20200100701A KR102254067B1 KR 102254067 B1 KR102254067 B1 KR 102254067B1 KR 1020200100701 A KR1020200100701 A KR 1020200100701A KR 20200100701 A KR20200100701 A KR 20200100701A KR 102254067 B1 KR102254067 B1 KR 102254067B1
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KR
South Korea
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meth
acrylamide
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binder resin
acrylic monomer
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KR1020200100701A
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Korean (ko)
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김상곤
박덕민
이창훈
정종오
구자민
박정규
임현희
전영민
Original Assignee
(주)노루페인트
대주전자재료 주식회사
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Abstract

A disclosed binder resin for a secondary battery electrode includes: polyvinyl alcohol main chains; a side chain group derived from an acrylic monomer bonded to the polyvinyl alcohol main chains; and a crosslinking group derived from a boron-containing compound connecting the polyvinyl alcohol main chains. The binder resin improves the reliability and performance of the electrode.

Description

이차전지의 전극용 바인더 및 이의 제조 방법{BINDER FOR ELECTRODES OF SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Binder for electrode of secondary battery and manufacturing method thereof {BINDER FOR ELECTRODES OF SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 이차전지의 전극용 바인더 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery, and more specifically, to a binder for an electrode of a secondary battery and a method of manufacturing the same.

리튬이온 이차전지는 재사용이 불가능한 일차전지에 비해 높은 에너지 밀도를 가지면서, 친환경적이며, 수명 주기가 길고, 높은 전압을 출력할 수 있으며, 소형화가 가능하기 때문에 최근 휴대폰, 태블릿 PC 및 캠코더와 같은 소형 휴대용 전자 제품에 널리 사용되고 있다. 최근에는 소형 휴대폰 외에도 전기자동차, 전기자전거, 전기스쿠터, 전동퀵보드, 무선선풍기, 무선충전기, 대용량 저장장치(Energy Storage System)등 사용 용도가 급속도록 늘어나는 추세이다.Lithium-ion secondary batteries have a higher energy density than non-reusable primary batteries, are eco-friendly, have a long life cycle, can output high voltage, and can be miniaturized. It is widely used in portable electronic products. Recently, in addition to small cell phones, the use of electric vehicles, electric bicycles, electric scooters, electric quick boards, wireless fans, wireless chargers, and energy storage systems are rapidly increasing.

상기 리튬이온 이차전지는 주요 구성 요소로서 양극, 음극, 분리막 및 전해액을 포함한다.The lithium ion secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte as main components.

상기 리튬이온 이차전지에서, 양극은 리튬 산화물을 포함하며, 음극은 리튬 이온을 저장할 수 있는 탄소계 소재 또는 실리콘계 소재를 포함한다. 분리막은 양극과 음극이 직접 접촉하는 것을 방지하며, 전해액은 양극과 음극에서 리튬 이온이 이동할 수 있도록 하는 매개체로서 역할을 한다.In the lithium ion secondary battery, the positive electrode includes lithium oxide, and the negative electrode includes a carbon-based material or a silicon-based material capable of storing lithium ions. The separator prevents direct contact between the positive electrode and the negative electrode, and the electrolyte serves as a medium to allow lithium ions to move between the positive electrode and the negative electrode.

최근, 리튬 이온 이차전지의 가역 용량을 증가시키기 위하여, 음극 소재로서 실리콘계 소재를 사용하기 위한 기술이 활발하게 연구되고 있다.Recently, in order to increase the reversible capacity of a lithium ion secondary battery, a technology for using a silicon-based material as a negative electrode material has been actively studied.

그러나, 이와 같이 리튬이온 이차전지의 음극 소재로서 실리콘계 소재를 사용하는 경우, 충방전시 실리콘계 소재의 부피 팽창/수축에 따른 전극 열화 및 바인더 박리에 의해 전지 수명이 감소하는 문제점이 있다.However, in the case of using a silicon-based material as a negative electrode material for a lithium-ion secondary battery as described above, there is a problem in that the battery life decreases due to electrode deterioration and binder peeling due to volume expansion/contraction of the silicon-based material during charging and discharging.

이러한 문제를 개선하기 위하여, 실리콘 입자의 사이즈를 줄이거나 흑연(graphite)과 같은 호스트(host) 물질을 이용하여 실리콘 표면을 개질함으로써, 부피변화의 영향을 줄이려는 연구가 행해지고 있다. 그러나, 이러한 방법은 생산비용이 비싸고, 장기적인 충·방전 과정에서의 수명열화를 막기 어렵다.In order to improve this problem, research has been conducted to reduce the influence of volume change by reducing the size of the silicon particles or by modifying the silicon surface using a host material such as graphite. However, such a method is expensive to produce, and it is difficult to prevent deterioration of life in a long-term charging/discharging process.

이에 따라, 바인더와 실리콘과의 접착력을 증가시키고 물성을 향상시키기 위한 관점에서, 다양한 연구를 통해, -OH, -COOH, -CONH- 와 같이 실리콘 입자 표면의 산화 피막인 Si-OH(silanol)과 강하게 상호작용 할 수 있는 극성 작용기를 가지는 고분자가 차세대 바인더 소재로써 적합한 것으로서 연구되고 있다.Accordingly, from the viewpoint of increasing the adhesion between the binder and silicon and improving the physical properties, through various studies, Si-OH (silanol), which is an oxide film on the surface of the silicon particles, such as -OH, -COOH, -CONH-, and Polymers having polar functional groups capable of strongly interacting are being studied as suitable as a next-generation binder material.

이에 따라, 바인더 소재에 극성 작용기의 도입으로 실리콘과의 접착력이 증대되고, 이로써, 실리콘 입자의 탈리 현상을 어느 정도 억제하는 것이 가능해졌다. 하지만, 극성 고분자 역시 전지 작동 중의 부피 변화로 인한 바인더 소재의 열화는 막을 수가 없고, 장기적인 전지 성능에 대해서 여전히 문제점을 안고 있다. Accordingly, the introduction of the polar functional group into the binder material increases the adhesion to silicon, thereby making it possible to suppress the detachment phenomenon of the silicon particles to some extent. However, polar polymers also cannot prevent deterioration of the binder material due to volume change during battery operation, and still have problems with long-term battery performance.

1. 한국공개특허 10-2016-00249211. Korean Patent Publication 10-2016-0024921 2. 한국공개특허 10-2012-00298992. Korean Patent Publication 10-2012-0029899 3. 한국공개특허 10-2014-00181243. Korean Patent Publication 10-2014-0018124

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 실리콘계 음극 활물질을 포함하는 전극의 신뢰성과 성능을 개선할 수 있는 바인더 수지를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to solve the above problems, and to provide a binder resin capable of improving the reliability and performance of an electrode including a silicon-based negative active material.

본 발명의 다른 목적은 상기 바인더 수지의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the binder resin.

본 발명의 다른 목적은, 상기 바인더 수지를 포함하는 이차전지용 음극을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a negative electrode for a secondary battery comprising the binder resin.

본 발명의 다른 목적은, 상기 음극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery including the negative electrode.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 전극용 바인더 수지는, 폴리비닐알콜 주쇄, 상기 폴리비닐알콜 주쇄에 결합된 아크릴 모노머 유래의 측쇄 그룹 및 폴리비닐알콜 주쇄들을 연결하는 붕소 함유 화합물 유래의 가교 그룹을 포함한다.The binder resin for a secondary battery electrode according to an embodiment of the present invention includes a polyvinyl alcohol main chain, a side chain group derived from an acrylic monomer bonded to the polyvinyl alcohol main chain, and a crosslinking group derived from a boron-containing compound connecting the polyvinyl alcohol main chains. Includes.

일 실시예에 따르면, 상기 아크릴 모노머는 히드록시기 또는 카르복시산기를 포함하는 제1 아크릴 모노머 및 아마이드기를 포함하는 제2 아크릴 모노머를 포함한다.According to an embodiment, the acrylic monomer includes a first acrylic monomer including a hydroxy group or a carboxylic acid group and a second acrylic monomer including an amide group.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 아크릴 모노머는, 아크릴산(Acrylic acid, AA), 메타크릴산(Methacrylic acid, MAA), 말레익산(Maleic acid, MA), 히드록시에틸(메타)아크릴레이트(Hydroxyethyl(meth)acrylate) 및 히드록시프로필(메타)아크릴레이트(Hydroxypropyl(meth)acrylate)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.According to an embodiment, the first acrylic monomer is acrylic acid (AA), methacrylic acid (MAA), maleic acid (MA), hydroxyethyl (meth) acrylate (Hydroxyethyl It includes at least one selected from the group consisting of (meth)acrylate) and hydroxypropyl (meth)acrylate.

일 실시예에 따르면, 상기 제2 아크릴 모노머는, N-이소프로필(메타)아크릴아미드(N-isopropyl(meth)acrylamide), N-메틸올(메타)아크릴아마이드(N-methylol(meth)acrylamide), 디아세톤(메타)아크릴아마이드(Diaceton(meth)acrylamide), 히드록시에틸(메타)아크릴아마이드(Hydroxyethyl(meth)acrylamide), N,N-디메틸(메타)아크릴아미드(N,N-dimethyl(meth)acrylamide), N,N-디에틸(메타)아크릴아마이드(N,N-diethyl(meth)acrylamide), N,N-디메틸아미노프로필(메타)아크릴아마이드(N,N-dimethylaminopropyl(meth)acrylamide) 및 (메타)아크릴로일모르폴린(Meth)acryloylmorpholine)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.According to an embodiment, the second acrylic monomer is N-isopropyl (meth) acrylamide, N-methylol (meth) acrylamide (N-methylol (meth) acrylamide) , Diaceton(meth)acrylamide, hydroxyethyl(meth)acrylamide, N,N-dimethyl(meth)acrylamide (N,N-dimethyl(meth)acrylamide) )acrylamide), N,N-diethyl(meth)acrylamide, N,N-dimethylaminopropyl(meth)acrylamide (N,N-dimethylaminopropyl(meth)acrylamide) And (meth)acryloylmorpholine (Meth)acryloylmorpholine).

일 실시예에 따르면, 하기의 화학식 1-1로 나타내진다.According to an embodiment, it is represented by the following Chemical Formula 1-1.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112020084457813-pat00001
Figure 112020084457813-pat00001

화학식 1-1에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기를 나타내고, R3은 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 5의 히드록시알킬기를 나타내고, R4는 수소 원자, 탄소수 1 내지 5의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 5의 히드록시알킬기를 나타낸다. x, y, z, m, n 및 w 는 각각 독립적으로 자연수이다.In Formula 1-1, R1 and R2 each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, R3 represents a hydrogen atom or a hydroxyalkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and R4 is a hydrogen atom, 1 to 5 carbon atoms Represents an alkyl group of or a hydroxyalkyl group having 1 to 5 carbon atoms. x, y, z, m, n and w are each independently a natural number.

일 실시예에 따르면, 하기의 화학식 1-2로 나타내진다.According to an embodiment, it is represented by the following Chemical Formula 1-2.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112020084457813-pat00002
Figure 112020084457813-pat00002

화학식 1-2에서, x, y, z, m, n 및 w 는 각각 독립적으로 자연수이다.In Formula 1-2, x, y, z, m, n, and w are each independently a natural number.

일 실시예에 따르면, 상기 붕소 함유 화합물은 붕사(borax), 붕산, 붕산리튬 및 붕산칼륨으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.According to an embodiment, the boron-containing compound includes at least one selected from the group consisting of borax, boric acid, lithium borate, and potassium borate.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 전극용 바인더 수지의 제조 방법은, 폴리비닐알콜을 아크릴 모노머와 반응시켜 산기를 갖는 측쇄 그룹을 형성하는 단계, 상기 측쇄 그룹을 갖는 폴리비닐알콜을 붕소 함유 화합물과 반응시켜 분자량을 증가시키고 가교 구조를 형성하는 단계 및 상기 측쇄 그룹의 산기를 알칼리로 중화하는 단계를 포함한다. 상기 합성에서 전체 고형분 대비 상기 폴리비닐알콜 35 내지 55 중량%, 상기 붕소 함유 화합물 0.1 내지 0.5 중량% 및 상기 아크릴 모노머 40 내지 60 중량%를 반응시킨다.A method of preparing a binder resin for a secondary battery electrode according to an embodiment of the present invention comprises the steps of forming a side chain group having an acid group by reacting polyvinyl alcohol with an acrylic monomer, and adding a polyvinyl alcohol having the side chain group to a boron-containing compound. And increasing the molecular weight by reacting with and forming a crosslinked structure, and neutralizing the acid group of the side chain group with an alkali. In the synthesis, 35 to 55% by weight of the polyvinyl alcohol, 0.1 to 0.5% by weight of the boron-containing compound, and 40 to 60% by weight of the acrylic monomer are reacted with respect to the total solid content.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 음극은, 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면에 결합된 활물질층을 포함한다. 상기 활물질층은, 실리콘계 활물질 및 그래파이트를 포함하는 활물질 및 바인더 수지를 포함한다.A negative electrode for a secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a current collector and an active material layer bonded to at least one surface of the current collector. The active material layer includes an active material including a silicon-based active material and graphite, and a binder resin.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지는, 음극, 상기 음극과 이격된 양극, 상기 음극과 상기 양극을 분리하는 분리막 및 충방전 과정에서 상기 음극과 상기 양극에 이온을 전달하는 전해질을 포함한다.A lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a negative electrode, a positive electrode spaced apart from the negative electrode, a separator separating the negative electrode from the positive electrode, and an electrolyte that transfers ions to the negative electrode and the positive electrode during a charging and discharging process. .

본 발명에 따르면, 실리콘계 활물질을 갖는 전극의 부피 팽창 및 수축에 의한 박리를 방지 또는 억제할 수 있다. 또한 상기 전극은 균일한 전극 밀도를 구현하면서 전지 특성을 개선할 수 있다.According to the present invention, peeling due to volume expansion and contraction of an electrode having a silicon-based active material can be prevented or suppressed. In addition, the electrode can improve battery characteristics while implementing a uniform electrode density.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 음극을 도시한 단면도이다.
도 2는 실시예 1의 바인더 수지의 FT-IR 분석 그래프이다.
1 is a cross-sectional view showing a negative electrode for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is an FT-IR analysis graph of the binder resin of Example 1. FIG.

본 출원에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.In the present application, terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude in advance the possibility of being added.

이차전지의 전극용 바인더 수지Binder resin for secondary battery electrode

본 발명의 일 실시예에 따른 바인더 수지는 폴리비닐알콜, 붕소 함유 화합물 및 극성 작용기를 갖는 반응성 아크릴 모노머를 반응시켜 얻어진 가교 구조를 갖는다. 상기 바인더 수지는 실리콘 활물질을 포함하는 전극의 바인더로서 사용될 수 있다.The binder resin according to an embodiment of the present invention has a crosslinked structure obtained by reacting polyvinyl alcohol, a boron-containing compound, and a reactive acrylic monomer having a polar functional group. The binder resin may be used as a binder for an electrode containing a silicon active material.

폴리비닐알콜은 집전체 및 실리콘 활물질에 대한 접착력이 높다. 붕소 함유 화합물은 상기 폴리비닐알콜을 개질하고 바인더 수지의 분자량을 증가시킬 수 있다. 상기 반응성 아크릴 모노머는 실리콘 입자 표면의 산화 피막인 Si-OH(silanol)과 강하게 상호작용함으로써, 바인더 수지 및 이를 포함하는 전극의 물성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. Polyvinyl alcohol has high adhesion to the current collector and the silicone active material. The boron-containing compound may modify the polyvinyl alcohol and increase the molecular weight of the binder resin. The reactive acrylic monomer strongly interacts with Si-OH (silanol), which is an oxide film on the surface of the silicon particles, thereby improving physical properties and reliability of a binder resin and an electrode including the same.

일 실시예에 따르면, 상기 붕소 함유 화합물은, 붕사(borax), 붕산, 붕산리튬, 붕산칼륨 등을 포함할 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있으며, 바람직하게, 상기 붕소 함유 화합물은 붕사를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the boron-containing compound may include borax, boric acid, lithium borate, potassium borate, and the like. Each of these may be used alone or in combination, and preferably, the boron-containing compound may contain borax.

[붕사] - Na2B4O7*10H2O[Borax]-Na 2 B 4 O 7 *10H 2 O

Figure 112020084457813-pat00003
Figure 112020084457813-pat00003

일 실시예에 따르면, 상기 반응성 아크릴 모노머는 극성 작용기를 갖는 제1 아크릴 모노머 및 아마이드기를 갖는 제2 아크릴 모노머를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the reactive acrylic monomer may include a first acrylic monomer having a polar functional group and a second acrylic monomer having an amide group.

상기 극성 작용기는 카르복시산기, 히드록시기 등을 포함할 수 있다. 상기 극성 작용기는 실리콘 입자 표면의 산화 피막의 Si-OH와 강하게 상호 작용할 수 있다. 따라서, 바인더와 실리콘 입자의 접착력을 증가시킬 수 있다.The polar functional group may include a carboxylic acid group, a hydroxy group, and the like. The polar functional group may strongly interact with Si-OH of the oxide film on the surface of the silicon particle. Therefore, it is possible to increase the adhesion between the binder and the silicon particles.

아마이드기를 갖는 바인더 수지는 슬러리의 분산성을 증가시켜, 실리콘 입자 상호간의 결착력을 증가시킬 수 있다.The binder resin having an amide group can increase the dispersibility of the slurry, thereby increasing the bonding strength between the silicon particles.

예를 들어, 상기 바인더 수지는 다음의 화학식 1-1로 나타내질 수 있다.For example, the binder resin may be represented by the following Formula 1-1.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112020084457813-pat00004
Figure 112020084457813-pat00004

화학식 1-1에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기를 나타내고, R3은 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 5의 히드록시알킬기를 나타내고, R4는 수소 원자, 탄소수 1 내지 5의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 5의 히드록시알킬기를 나타낸다. x, y, z, m, n 및 w 는 각각 독립적으로 자연수이다.In Formula 1-1, R1 and R2 each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, R3 represents a hydrogen atom or a hydroxyalkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and R4 is a hydrogen atom, 1 to 5 carbon atoms Represents an alkyl group of or a hydroxyalkyl group having 1 to 5 carbon atoms. x, y, z, m, n and w are each independently a natural number.

x, y, z, m, n 및 w는 상기 바인더 수지의 분자량 및 구성에 따라 일정 범위를 가질 수 있다.x, y, z, m, n, and w may have a certain range depending on the molecular weight and composition of the binder resin.

도시된 것과 같이 붕사는 폴리비닐알콜의 주쇄들을 연결하는 가교 그룹을 형성할 수 있다.As shown, borax may form a crosslinking group connecting the main chains of polyvinyl alcohol.

이하에서 "(메타)아크릴"은 "메타크릴" 또는 "아크릴"을 의미한다.Hereinafter, "(meth)acrylic" means "methacryl" or "acrylic".

예를 들어, 상기 극성 작용기를 갖는 제1 아크릴 모노머는, 아크릴산(Acrylic acid, AA), 메타크릴산(Methacrylic acid, MAA), 말레익산(Maleic acid, MA), 히드록시에틸(메타)아크릴레이트(Hydroxyethyl(meth)acrylate), 히드록시프로필(메타)아크릴레이트(Hydroxypropyl(meth)acrylate) 등을 포함할 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있으며, 바람직하게, 상기 제1 아크릴 모노머는 아크릴산을 포함할 수 있다.For example, the first acrylic monomer having a polar functional group is acrylic acid (AA), methacrylic acid (MAA), maleic acid (MA), hydroxyethyl (meth)acrylate (Hydroxyethyl(meth)acrylate), hydroxypropyl(meth)acrylate, etc. may be included. Each of these may be used alone or in combination, and preferably, the first acrylic monomer may include acrylic acid.

예를 들어, 상기 제2 아크릴 모노머는, N-이소프로필(메타)아크릴아미드(N-isopropyl(meth)acrylamide), N-메틸올(메타)아크릴아마이드(N-methylol(meth)acrylamide), 디아세톤(메타)아크릴아마이드(Diaceton(meth)acrylamide), 히드록시에틸(메타)아크릴아마이드(Hydroxyethyl(meth)acrylamide), N,N-디메틸(메타)아크릴아미드(N,N-dimethyl(meth)acrylamide), N,N-디에틸(메타)아크릴아마이드(N,N-diethyl(meth)acrylamide), N,N-디메틸아미노프로필(메타)아크릴아마이드(N,N-dimethylaminopropyl(meth)acrylamide), (메타)아크릴로일모르폴린(Meth)acryloylmorpholine) 등을 포함할 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있으며, 바람직하게, 상기 제2 아크릴 모노머는 히드록시에틸아크릴아마이드(HEAA)를 포함할 수 있다.For example, the second acrylic monomer, N-isopropyl (meth) acrylamide (N-isopropyl (meth) acrylamide), N-methylol (meth) acrylamide (N-methylol (meth) acrylamide), di Acetone(meth)acrylamide, hydroxyethyl(meth)acrylamide, N,N-dimethyl(meth)acrylamide, N,N-dimethyl(meth)acrylamide ), N,N-diethyl(meth)acrylamide, N,N-dimethylaminopropyl(meth)acrylamide (N,N-dimethylaminopropyl(meth)acrylamide), ( Meth)acryloylmorpholine (Meth)acryloylmorpholine), and the like. Each of these may be used alone or in combination, and preferably, the second acrylic monomer may include hydroxyethylacrylamide (HEAA).

예를 들어, 상기 제1 아크릴 모노머가 아크릴 산을 포함하고, 상기 제2 아크릴 모노머가 히드록시에틸아크릴아마이드를 포함하는 경우, 상기 바인더 수지는 다음의 화학식 1-2로 나타내질 수 있다.For example, when the first acrylic monomer contains acrylic acid and the second acrylic monomer contains hydroxyethylacrylamide, the binder resin may be represented by Formula 1-2 below.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112020084457813-pat00005
Figure 112020084457813-pat00005

화학식 1-2에서, x, y, z, m, n 및 w 는 각각 독립적으로 자연수이다.In Formula 1-2, x, y, z, m, n, and w are each independently a natural number.

일 실시예에 따른 바인더 수지는, 활물질 및 도전제와 함께 전극 형성용 조성물(슬러리)을 형성할 수 있으며, 상기 슬러리의 분상성을 증가시켜 분리(침강)를 방지하며, 전극을 형성할 때 매우 균일한 전극 밀도를 구현할 수 있다. 또한, 집전체로 사용되는 금속 포일과의 밀착력이 우수하여 실리콘 활물질의 팽창을 제어하여 전지 특성을 향상시킬 수 있다.The binder resin according to an embodiment may form a composition (slurry) for forming an electrode together with an active material and a conductive agent, and prevent separation (settling) by increasing the powdery properties of the slurry. It is possible to achieve a uniform electrode density. In addition, since the adhesion with the metal foil used as the current collector is excellent, the expansion of the silicon active material can be controlled to improve battery characteristics.

일 실시예에 따르면, 상기 바인더 수지를 형성하기 위하여, 전체 고형분 대비 폴리비닐알콜 35 내지 55 중량%, 붕소 함유 화합물 0.1 내지 0.5 중량% 및 아크릴 모노머 40 내지 60 중량%를 반응시킬 수 있다. 또한 상기 반응의 진행을 위하여 전체 고형분 대비 산화 환원 개시제 0.5 내지 3 중량% 및 중화제 0.5 내지 5 중량%가 추가될 수 있다.According to an embodiment, in order to form the binder resin, 35 to 55% by weight of polyvinyl alcohol, 0.1 to 0.5% by weight of a boron-containing compound, and 40 to 60% by weight of an acrylic monomer may be reacted with respect to the total solid content. In addition, 0.5 to 3% by weight of a redox initiator and 0.5 to 5% by weight of a neutralizing agent may be added to the total solid content for the reaction to proceed.

예를 들어, 상기 폴리비닐알콜의 중량평균분자량은 약 1,000 내지 5,000일 수 있으며, 바람직하게 약 2,000 내지 4,000일 수 있다.For example, the weight average molecular weight of the polyvinyl alcohol may be about 1,000 to 5,000, preferably about 2,000 to 4,000.

폴리비닐알콜의 함량이 35 중량% 미만인 경우, 금속 집전체와의 접착력이 떨어지게 되고, 55 중량%를 초과하는 경우 강성이 떨어져 활물질과 집전체 사이의 바인딩 효과가 약해지게 된다. 따라서, 폴리비닐알콜은 전체 고형분 대비 35 내지 55 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.When the content of polyvinyl alcohol is less than 35% by weight, the adhesion to the metal current collector decreases, and when it exceeds 55% by weight, the rigidity decreases and the binding effect between the active material and the current collector is weakened. Therefore, it is preferable that the polyvinyl alcohol is contained in an amount of 35 to 55% by weight based on the total solid content.

붕소 함유 화합물의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우 가교 밀도가 저하되어 점도가 낮게 되며 높은 분자량을 얻을 수 없고, 0.5 중량%를 초과하는 경우 합성공정에서 가교도가 너무 높아 겔(Gel)화의 위험이 있다. 따라서, 붕사는 전체 고형분 대비 0.1 내지 0.5 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.If the content of the boron-containing compound is less than 0.1% by weight, the crosslinking density is lowered, resulting in a low viscosity and high molecular weight cannot be obtained, and if it exceeds 0.5% by weight, the degree of crosslinking is too high in the synthesis process and there is a risk of gelation . Therefore, borax is preferably contained in an amount of 0.1 to 0.5% by weight based on the total solid content.

아크릴 모노머의 함량이 40 중량% 미만인 경우, 높은 강성(높은 탄성 및 인장강도)을 이룰 수 없고 슬러리 분산성도 떨어지며, 60 중량%를 초과하는 경우, pH 조절시 많은 중화제를 사용하게 되는 문제점이 있다. 따라서, 극성기를 갖는 아크릴 모노머는 전체 고형분 대비 40 내지 60 중량부%로 포함되는 것이 바람직하다.When the content of the acrylic monomer is less than 40% by weight, high rigidity (high elasticity and tensile strength) cannot be achieved, the slurry dispersibility is also poor, and when it exceeds 60% by weight, there is a problem that many neutralizing agents are used when adjusting the pH. Therefore, it is preferable that the acrylic monomer having a polar group is included in an amount of 40 to 60 parts by weight based on the total solid content.

일 실시예에 따르면, 상기 아크릴 모노머에서, 상기 제1 아크릴 모노머와 상기 제2 아크릴 모노머의 중량비는 4:1 내지 2:1일 수 있다.According to an embodiment, in the acrylic monomer, a weight ratio of the first acrylic monomer and the second acrylic monomer may be 4:1 to 2:1.

산화 환원 개시제의 함량은 0.5 내지 3 중량%, 중화제는 0.5 내지 5중량%를 사용하는 것이 바람직하나, 바인더 합성 공정, 예를 들어 반응 온도, 점도등을 고려하여 약간의 가감이 있을 수 있다.It is preferable to use 0.5 to 3% by weight of the redox initiator and 0.5 to 5% by weight of the neutralizing agent, but there may be slight additions or subtractions in consideration of the binder synthesis process, for example, reaction temperature and viscosity.

상기 산화 환원 개시제 및 중화제는 종래에 알려진 것들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 중화제는 Li+, Na+, K+ 등과 같은 알칼리 양이온을 포함하는 수산화금속을 포함할 수 있고, 상기 아크릴 모노머의 중합을 위한 개시제는 암모늄 퍼설페이트를 포함할 수 있다. As the redox initiator and neutralizing agent, those known in the art may be used. For example, the neutralizing agent may include a metal hydroxide including an alkali cation such as Li+, Na+, and K+, and an initiator for polymerization of the acrylic monomer may include ammonium persulfate.

일 실시예에 따르면, 상기 바인더 수지를 합성하기 위한 방법은, 폴리비닐알콜을 아크릴 모노머와 반응시켜 산기를 갖는 측쇄 그룹을 형성하는 단계, 상기 측쇄 그룹을 갖는 폴리비닐알콜을 붕소 함유 화합물과 반응시켜 분자량을 증가시키고 가교 구조를 형성하는 단계 및 상기 측쇄 그룹의 산기를 알칼리로 중화하는 단계를 포함한다.According to an embodiment, the method for synthesizing the binder resin includes reacting polyvinyl alcohol with an acrylic monomer to form a side chain group having an acid group, and reacting the polyvinyl alcohol having the side chain group with a boron-containing compound. Increasing the molecular weight and forming a crosslinked structure, and neutralizing the acid group of the side chain group with an alkali.

이러한 합성 방법을 통해, 다양한 아크릴 모노머 등으로 공중합하여 연질 및 경질의 다양한 물성을 구현할 수 있고, 카르복실기, 하이드록시, 아마이드기 등의 반응성기를 바인더 사슬에 넣어 접착성, 전기적 특성 등을 올릴 수 있는 장점이 있다. 또한, 폴리비닐알콜 수지의 최종 분자량과 가교도를 안정적으로 조절할 수 있다.Through this synthesis method, it is possible to realize a variety of soft and hard physical properties by copolymerizing with various acrylic monomers, and to increase adhesion and electrical properties by putting reactive groups such as carboxyl groups, hydroxy groups, and amide groups into the binder chain. There is this. In addition, it is possible to stably control the final molecular weight and crosslinking degree of the polyvinyl alcohol resin.

상기 중화된 바인더 수지의 pH는 약 7.5 내지 8.5일 수 있다.The neutralized binder resin may have a pH of about 7.5 to 8.5.

이차전지용 음극 및 리튬 이차전지Anode for secondary battery and lithium secondary battery

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 음극을 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a negative electrode for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 이차전지용 음극은 집전체(10) 및 활물질층(20)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a negative electrode for a secondary battery may include a current collector 10 and an active material layer 20.

상기 집전체(10)는 탄소계 물질, 금속 등과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 집전체는, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 구리 또는 이들의 합금을 포함할 수 있으며,, 필름, 시트, 포일, 다공질체 등의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 집전체(10)의 두께는 5㎛ 내지 300㎛일 수 있다.The current collector 10 may include a conductive material such as a carbon-based material or a metal. According to an embodiment, the current collector may include stainless steel, aluminum, nickel, titanium, copper, or an alloy thereof, and may have a shape such as a film, sheet, foil, or porous body. For example, the thickness of the current collector 10 may be 5 μm to 300 μm.

상기 활물질층(20)은 활물질(22), 바인더 수지(24) 및 도전재(26)를 포함할 수 있다.The active material layer 20 may include an active material 22, a binder resin 24 and a conductive material 26.

상기 활물질(22)은 리튬이온 이차전지의 양극으로부터 제공된 리튬이온을 가역적으로 흡수 또는 방출하면서 전자(전류)를 흐르게 하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.The active material 22 serves to generate electricity by allowing electrons (current) to flow while reversibly absorbing or releasing lithium ions provided from the positive electrode of the lithium ion secondary battery.

일 실시예에 따르면, 상기 활물질(22)은 실리콘계 활물질(22a) 및 탄소계 활물질(22b)를 포함할 수 있다. 상기 상기 탄소계 활물질(22b)은, 천연 그래파이트, 인조 그래파이트, 소프트 카본 등을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the active material 22 may include a silicon-based active material 22a and a carbon-based active material 22b. The carbon-based active material 22b may include natural graphite, artificial graphite, soft carbon, and the like.

예를 들어, 상기 실리콘계 활물질은, 실리콘, 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 탄화물(SiC), 실리콘 합금 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘계 활물질의 함량이 과소한 경우, 고용량 전극을 구현하기가 어려우며, 과다한 경우 충전에 의한 부피 팽창이 과도하게 증가하여, 전극이 변형되고 수명이 현저하게 감소할 수 있다.For example, the silicon-based active material may include silicon, silicon oxide (SiOx), silicon carbide (SiC), and silicon alloy. For example, when the content of the silicon-based active material is insufficient, it is difficult to implement a high-capacity electrode, and when the content of the silicon-based active material is excessive, the volume expansion due to charging increases excessively, and the electrode may be deformed and the lifespan may be significantly reduced.

일 실시예에 따르면, 상기 활물질(22)은 그래파이트와 실리콘을 2:1 내지 5:1의 중량비로 포함할 수 있다.According to an embodiment, the active material 22 may include graphite and silicon in a weight ratio of 2:1 to 5:1.

예를 들어, 상기 도전재(26)는, 그래핀, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙 등과 같은 탄소계 도전 물질, 니켈, 구리, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 아연, 몰리브덴, 텅스텐, 은, 금 등과 같은 금속, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 등과 같은 도전성 고분자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. For example, the conductive material 26 is a carbon-based conductive material such as graphene, carbon black, acetylene black, etc., nickel, copper, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, zinc, molybdenum, tungsten, silver , A metal such as gold, a conductive polymer such as polyaniline, polythiophene, polyacetylene, polypyrrole, or a combination thereof.

예를 들어, 상기 활물질(22)과 상기 도전재(26)의 중량비는 10:1 내지 30:1일 수 있다.For example, a weight ratio of the active material 22 and the conductive material 26 may be 10:1 to 30:1.

상기 활물질층(20)을 형성하기 위하여, 상기 집전체(10) 위에, 활물질 슬러리 조성물을 도포하고, 건조 또는 경화할 수 있다.In order to form the active material layer 20, an active material slurry composition may be applied on the current collector 10 and dried or cured.

상기 바인더 수지(24)는 폴리비닐알콜, 붕사 및 극성 작용기를 갖는 반응성 아크릴 모노머를 반응시켜 얻어진 가교 구조를 갖는다. 상기 바인더 수지(24)의 구체적인 구성은 기설명된 바인더 수지와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다. The binder resin 24 has a crosslinked structure obtained by reacting polyvinyl alcohol, borax, and a reactive acrylic monomer having a polar functional group. Since the specific configuration of the binder resin 24 is the same as the previously described binder resin, a detailed description will be omitted.

상기 활물질 슬러리 조성물은, 활물질, 도전재, 바인더 수지 및 용매를 포함할 수 있다.The active material slurry composition may include an active material, a conductive material, a binder resin, and a solvent.

상기 바인더 수지는 물에 녹는 수용성이거나 물에 분산되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 용매는 바람직하게는 물과 같은 수계 용매를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 용매는, N.N-디메틸포름아미드, N.N-디메틸아세트아미드, 메틸에틸케톤, 사이클로헥사논, 아세트산에틸, 아세트산부틸, 셀로솔브아세테이트, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 아세테이트, 메틸셀로솔브, 부틸셀로솔브, 메틸카비톨, 부틸카비톨, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디메틸에테르, 톨루엔, 크실렌 또는 이들의 조합을 포함하거나, 이들과 물의 혼합물을 포함할 수 있다.The binder resin may be water-soluble or dispersed in water. Therefore, the solvent may preferably include an aqueous solvent such as water. In another embodiment, the solvent is NN-dimethylformamide, NN-dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, ethyl acetate, butyl acetate, cellosolve acetate, propylene glycol monomethyl ether acetate, methyl cellosolve , Butyl cellosolve, methyl carbitol, butyl carbitol, propylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, toluene, xylene, or a combination thereof, or a mixture of these and water.

일 실시예에 따르면, 상기 활물질 슬러리 조성물의 고형분 함량은 30 중량% 내지 60 중량%일 수 있으며, 상기 바인더 수지의 함량은 상기 고형분 전체 중량에 대하여 1 중량% 내지 10 중량%일 수 있다. 또한, 상기 도전재의 함량은 상기 고형분 전체 중량에 대하여 1 중량% 내지 10 중량%일 수 있다.According to an embodiment, the solid content of the active material slurry composition may be 30% by weight to 60% by weight, and the content of the binder resin may be 1% by weight to 10% by weight based on the total weight of the solid content. In addition, the content of the conductive material may be 1% by weight to 10% by weight based on the total weight of the solid content.

일 실시예에 따르면, 상기 활물질 슬러리 조성물은, 상기 바인더 수지의 가교 결합을 추가로 형성하기 위하여 가교제를 더 포함할 수도 있다. 또한, 특성 향상을 위하여, 분산제, 증점제, 충진제 등과 같은 첨가제를 더 포함할 수도 있다.According to an embodiment, the active material slurry composition may further include a crosslinking agent to further form a crosslinking bond of the binder resin. In addition, additives such as a dispersant, a thickener, and a filler may be further included in order to improve properties.

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지는, 양극, 분리막, 음극, 전해액 및 이들을 밀봉하는 수납 용기를 포함할 수 있다.A lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention may include a positive electrode, a separator, a negative electrode, an electrolyte, and a storage container for sealing them.

상기 양극은, 집전체 및 활물질층을 포함할 수 있다. 상기 양극의 활물질층은 활물질로서, 리튬 전이금속 산화물을 포함할 수 있다.The positive electrode may include a current collector and an active material layer. The active material layer of the positive electrode may include a lithium transition metal oxide as an active material.

예를 들어, 상기 리튬 전이금속 산화물은, 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.For example, the lithium transition metal oxide may include lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, or a combination thereof.

상기 분리막은, 상기 양극과 상기 음극의 접촉을 방지할 수 있다. 예를 들어, 상기 분리막은, 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용하거나, 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The separator may prevent contact between the anode and the cathode. For example, the separator is a porous polymer film made of a polyolefin-based polymer such as an ethylene homopolymer, a propylene homopolymer, an ethylene/butene copolymer, an ethylene/hexene copolymer, and an ethylene/methacrylate copolymer, or These may be laminated and used, or a nonwoven fabric made of high melting point glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, or the like may be used, but is not limited thereto.

상기 전해액은, 충방전 과정에서 상기 음극과 상기 양극에 이온을 전달할 수 있다. 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마부티로락톤(GBL), 플루오르에틸렌 카보네이트(FEC), 포름산 메틸, 포름산 에틸, 포름산 프로필, 초산 메틸, 초산 에틸,초산 프로필, 초산 펜틸, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸, 프로피온산 부틸 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전해액은 리튬염을 더 포함할 수도 있다.The electrolyte may transfer ions to the negative electrode and the positive electrode during a charging and discharging process. Propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), dipropyl carbonate (DPC), dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran , N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), ethyl methyl carbonate (EMC), gamma butyrolactone (GBL), fluoroethylene carbonate (FEC), methyl formate, ethyl formate, propyl formate, methyl acetate, ethyl acetate , Propyl acetate, pentyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, butyl propionate, or a combination thereof. In addition, the electrolyte may further contain a lithium salt.

본 발명에 따르면, 실리콘 활물질을 포함하는 음극의 크랙, 찢어짐, 박리 및 탈리를 방지할 수 있으며, 실리콘 활물질의 부피변화에서 오는 전극구조 변화를 최소화 시켜 전극의 충방전 전지 특성 및 방전유지율을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, it is possible to prevent cracking, tearing, peeling, and detachment of the negative electrode including the silicon active material, and to improve the charge/discharge battery characteristics and discharge maintenance rate of the electrode by minimizing the change in the electrode structure resulting from the change in the volume of the silicon active material. I can.

이하에서는 구체적인 비교예, 실시예 및 실험을 통하여 본 발명의 제조예 및 효과를 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, preparation examples and effects of the present invention will be described in detail through specific comparative examples, examples, and experiments.

실시예 1Example 1

1L 5구 플라스크에 PVA(KURARAY社 POVAL, 분자량 2,400) 45g 과 물 500g을 넣고, 90℃로 승온하여 완전히 용해시켰다. 완전 용해를 확인 후 온도를 50℃로 냉각하고, 1)APS(ammonium persulfate)1g을 물 10g에 용해, 2)NaHSO30.3g을 물 3g에 용해 한 것을 차례로 투입하고 10분간 유지하였다. 질소를 투입하면서, AA(acrylic acid) 40g, HEAA(Hydroxyethyl acrylamide) 15g, 물 250g을 혼합한 후, 60분간 천천히 적하하고 6시간 유지하였다. 유지 반응 후 붕사(Borax) 0.5g을 물 10g에 용해 후 투입하고 2시간 유지하였다. 다음으로 NaOH 0.5g를 물 4.5g에 용해시킨 수용액을 서서히 투입하면서 pH 8.0으로 조절하여 음극용 수계 바인더를 얻었다.45 g of PVA (KURARAY Corp. POVAL, molecular weight 2,400) and 500 g of water were added to a 1L 5-neck flask, and the temperature was raised to 90°C to completely dissolve. After confirming complete dissolution, the temperature was cooled to 50° C., 1) 1 g of APS (ammonium persulfate) was dissolved in 10 g of water, and 2) 0.3 g of NaHSO 3 g dissolved in 3 g of water was sequentially added and maintained for 10 minutes. While nitrogen was added, 40 g of AA (acrylic acid), 15 g of HEAA (Hydroxyethyl acrylamide), and 250 g of water were mixed, and then slowly added dropwise for 60 minutes and maintained for 6 hours. After the maintenance reaction, 0.5 g of borax was dissolved in 10 g of water and added thereto, followed by holding for 2 hours. Next, an aqueous solution in which 0.5 g of NaOH was dissolved in 4.5 g of water was gradually added while adjusting the pH to 8.0 to obtain an aqueous binder for the negative electrode.

합성된 바인더 A1의 고형분은 10.8%, 점도는 5,200cps이었고, pH는 8.1 이였다.The synthesized binder A1 had a solid content of 10.8%, a viscosity of 5,200 cps, and a pH of 8.1.

도 2는 실시예 1의 바인더 수지의 FT-IR 분석 그래프이다. 2 is an FT-IR analysis graph of the binder resin of Example 1. FIG.

도 2는 최종 중화 반응 후의 분석 그래프이다. 도 2를 참조하면 ~1570cm-1에서 NaOH 와 COOH가 반응하여 염이 형성되었음을 알 수 있다.2 is an analysis graph after the final neutralization reaction. Referring to FIG. 2, it can be seen that a salt was formed by reacting NaOH and COOH at ~1570cm -1.

실시예 2Example 2

PVA를 변경(KURARAY社 POVAL, 분자량 1,700)한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 바인더 수지를 합성하였으며, 상기 바인더 수지에서 고형분은 11.3%, 점도는 4,500cps이었고, pH는 7.9 이었다.A binder resin was synthesized in the same manner as in Example 1, except that the PVA was changed (KURARAY Corp. POVAL, molecular weight 1,700), and the binder resin had a solid content of 11.3%, a viscosity of 4,500 cps, and a pH of 7.9.

실시예 3Example 3

HEAA 대신에 아크릴아마이드(Acrylamide, Sigma Aldrich 시약, 99% 순도)를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 바인더 수지를 합성하였으며, 상기 바인더 수지에서 고형분은 11.0%, 점도는 5,700cps이었고, pH는 7.7 이었다.A binder resin was synthesized in the same manner as in Example 1, except that acrylamide (Acrylamide, Sigma Aldrich reagent, 99% purity) was used instead of HEAA.In the binder resin, the solid content was 11.0%, the viscosity was 5,700 cps, and the pH was It was 7.7.

비교예 1Comparative Example 1

시판중인 PAA(Polyacrylic acid) Solution (35 wt% in H2O,평균 분자량 100,000, Sigma Aldrich) 용액으로 물성을 비교해 보았다.Physical properties were compared with a commercially available PAA (Polyacrylic acid) Solution (35 wt% in H 2 O, average molecular weight 100,000, Sigma Aldrich) solution.

비교예 2Comparative Example 2

현재 2차전지 음극재인 흑연계 활물질 단독 적용시 주로 사용되는 바인더인 시판중인 SBR-CMC 수계 바인더와 비교해 보았다. 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 40wt%(ZEON 社), 및 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 2wt%(다이셀社)를 고형분 대비 50: 50의 비율로 섞어 물성을 비교해 보았다.It was compared with the commercially available SBR-CMC aqueous binder, which is a binder mainly used when applying the graphite-based active material alone, the anode material of the current secondary battery. Styrene-butadiene rubber (SBR) 40wt% (ZEON) and carboxymethyl cellulose (CMC) 2wt% (Dicel) were mixed in a ratio of 50:50 to the solid content to compare the physical properties.

슬러리 조성물 Slurry composition

음극 활물질로서 1)포스코켐텍의 PAS-H3 grade(d50=16.8㎛) 천연흑연을 사용하고, 2)실리콘은 대주전자재료의 DMSO-C05 SiOx(d50=1~6㎛)를 사용하여 흑연 : 실리콘 8:2의 중량비로 혼합하고, 도전재는 Timcal社 Super-P black를 사용하여, 활물질 : 도전재 : 바인더를 중량비로 90 : 5 : 5의 비율로 혼합하여 슬러리 조성물을 준비하였다. 이때, 용매로서 물의 함량은 코팅성, 점도, 고형분을 감안하여 조절하였다. 얻어진 슬러리 조성물의 점도는 500~2,000cps, 고형분은 50%였다.As the negative electrode active material, 1) POS-H3 grade (d50=16.8㎛) natural graphite of POSCO Chemtech is used, and 2) DMSO-C05 SiOx (d50=1~6㎛) of Daeju Electronics is used for silicon. Graphite: silicon Mixing at a weight ratio of 8:2, and using Timcal's Super-P black as a conductive material, a slurry composition was prepared by mixing an active material: a conductive material: a binder in a weight ratio of 90:5:5. At this time, the content of water as a solvent was adjusted in consideration of coating properties, viscosity, and solid content. The viscosity of the obtained slurry composition was 500 to 2,000 cps, and the solid content was 50%.

상기 슬러리 조성물의 접착력 및 벤딩 시험(Bending test) 결과를 아래의 표 1에 나타내었다. 접착력 평가를 위하여, 상기 슬러리 조성물을 두께 18㎛의 동박에 코팅 후 건조(1차: 80℃×3시간, 2차: 상온에서 에이징×24시간)후 UTM 기기로, 90°박리(10cm×15mm 두께)를 측정하였으며, 벤딩 시험을 위하여, 시편을 1Φ 두께로 굽힌 후 전자현미경으로 크랙 여부 확인하였다.The adhesion and bending test results of the slurry composition are shown in Table 1 below. For the evaluation of adhesion, the slurry composition was coated on a copper foil having a thickness of 18 μm, dried (1st: 80°C×3 hours, 2nd: aging×24 hours at room temperature), and then peeled at 90° with a UTM device (10cm×15mm). Thickness) was measured, and for the bending test, the specimen was bent to a thickness of 1 Φ and then cracked with an electron microscope was checked.

표 1Table 1

Figure 112020084457813-pat00006
Figure 112020084457813-pat00006

전지 제조 및 전지 특성 평가Battery manufacturing and battery characteristic evaluation

상기 슬러리 조성물을 두께 18㎛의 동박에 코팅해서 건조시킴으로써, 상기 동박의 편면에 두께 40㎛의 활물질층을 형성하였고, 직경 14Φ의 원형으로 펀칭해서 시험용 전극(음극)을 제조하였고, 양극으로 두께 0.3mm의 금속 리튬박을 사용하였다. 분리막으로 두께 0.1mm의 다공질 폴리에틸렌 시트를 사용하였고, 전해액으로 에틸렌 카보네이트(EC)와 디에틸카보네이트(DEC)의 체적비 1:1의 혼합 용매에, 리튬염으로써 LiPF6를 약 1몰/L의 농도로 용해시킨 것을 사용하였다. The slurry composition was coated on a copper foil having a thickness of 18 μm and dried, thereby forming an active material layer having a thickness of 40 μm on one side of the copper foil, and punching into a circle having a diameter of 14 Φ to prepare a test electrode (cathode), and a thickness of 0.3 as a positive electrode. A metal lithium foil of mm was used. A 0.1mm-thick porous polyethylene sheet was used as a separator, and a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of 1:1 as an electrolyte, and LiPF 6 as a lithium salt at a concentration of about 1 mol/L. Dissolved in was used.

상기 음극, 양극, 분리막 및 전해액을 스테인리스 용기 안에 밀봉하여, 두께 2mm, 직경 32mm의 일반적 형상의 평가용 코인 셀을 제조하였다. The negative electrode, the positive electrode, the separator, and the electrolyte were sealed in a stainless steel container to prepare a coin cell for evaluation of a general shape having a thickness of 2 mm and a diameter of 32 mm.

상기 코인 셀을 0.05C의 정전류로 전압이 0.01V가 될 때까지 충전하고 0.05C의 정전류로 전압이 1.5V가 될 때까지 방전하여 방전 용량 및 초기 효율을 구하였으며, 이후 사이클 특성은 0.2C의 정전류로 위와 동일한 전압범위에서 실시하여 용량 유지율 시험을 진행하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.The coin cell was charged with a constant current of 0.05C until the voltage reached 0.01V, and discharged with a constant current of 0.05C until the voltage became 1.5V to obtain the discharge capacity and initial efficiency. The capacity retention test was carried out by conducting a constant current in the same voltage range as above, and the results are shown in Table 2 below.

표 2Table 2

Figure 112020084457813-pat00007
Figure 112020084457813-pat00007

표 1 및 표 2를 참조하면, 비교예 1의 PAA 바인더의 경우는 접착력이 실시예 1 내지 3에 비해 현저히 낮고, 바인더의 Tg 가 높아 코팅 도막이 Rigid 하며, 충/방전이 진행됨에 따라 활물질과 동박 사이의 바인딩 효과가 감소하게 되어 전지 특성치도 낮은 결과를 볼 수 있다. Referring to Tables 1 and 2, in the case of the PAA binder of Comparative Example 1, the adhesive strength is significantly lower than that of Examples 1 to 3, the Tg of the binder is high, so the coating film is rigid, and as charging/discharging proceeds, the active material and copper foil As the binding effect between the cells is reduced, the battery characteristic value is also low.

또한, 비교예 2의 SBR-CMC 바인더의 경우 실리콘 활물질과 흑연의 혼합 사용시, 충방전중 실리콘의 급격한 부피팽창에 따른 흑연과 실리콘의 분산성 저하, 동박과의 접착력 감소 등의 이유로 물성이 감소하였다.In addition, in the case of the SBR-CMC binder of Comparative Example 2, when the silicon active material and graphite were mixed, the physical properties were decreased due to the decrease in the dispersibility of the graphite and silicon due to the rapid volume expansion of the silicon during charging and discharging, and the decrease in adhesion to the copper foil. .

반면에, 본 발명의 실시예에 따른 바인더 수지는 집전체에 대한 접착력이 높았으며, 용량유지율, 팽창율, 내전해액성 모두 우수함을 확인할 수 있다.On the other hand, the binder resin according to the embodiment of the present invention has high adhesion to the current collector, and it can be confirmed that the capacity retention rate, the expansion rate, and the electrolyte resistance are all excellent.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. You will understand that you can.

본 발명은 전극 어셈블리, 리튬 이차전지 등의 제조에 이용될 수 있다.The present invention can be used to manufacture an electrode assembly, a lithium secondary battery, and the like.

Claims (10)

고형분 전체 함량에 대하여, 폴리비닐알콜 35 내지 55 중량%, 붕소 함유 화합물 0.1 내지 0.5 중량% 및 아크릴 모노머 40 내지 60 중량%를 반응시켜 얻어지며,
폴리비닐알콜 주쇄, 상기 폴리비닐알콜 주쇄에 결합된 상기 아크릴 모노머 유래의 측쇄 그룹 및 폴리비닐알콜 주쇄들을 연결하는 상기 붕소 함유 화합물 유래의 가교 그룹을 포함하는 이차전지 전극용 바인더 수지.
It is obtained by reacting 35 to 55% by weight of polyvinyl alcohol, 0.1 to 0.5% by weight of a boron-containing compound, and 40 to 60% by weight of an acrylic monomer, based on the total solid content,
A binder resin for a secondary battery electrode comprising a polyvinyl alcohol main chain, a side chain group derived from the acrylic monomer bonded to the polyvinyl alcohol main chain, and a crosslinking group derived from the boron-containing compound connecting the polyvinyl alcohol main chains.
제1항에 있어서, 상기 아크릴 모노머는 히드록시기 또는 카르복시산기를 포함하는 제1 아크릴 모노머 및 아마이드기를 포함하는 제2 아크릴 모노머를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극용 바인더 수지.The binder resin for an electrode according to claim 1, wherein the acrylic monomer comprises a first acrylic monomer containing a hydroxy group or a carboxylic acid group and a second acrylic monomer containing an amide group. 제2항에 있어서, 상기 제1 아크릴 모노머는, 아크릴산(Acrylic acid, AA), 메타크릴산(Methacrylic acid, MAA), 말레익산(Maleic acid, MA), 히드록시에틸(메타)아크릴레이트(Hydroxyethyl(meth)acrylate) 및 히드록시프로필(메타)아크릴레이트(Hydroxypropyl(meth)acrylate)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극용 바인더 수지.The method of claim 2, wherein the first acrylic monomer is acrylic acid (AA), methacrylic acid (MAA), maleic acid (MA), hydroxyethyl (meth)acrylate (Hydroxyethyl (meth) acrylate) and hydroxypropyl (meth) acrylate (Hydroxypropyl (meth) acrylate), characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of a secondary battery electrode binder resin. 제2항에 있어서, 상기 제2 아크릴 모노머는, N-이소프로필(메타)아크릴아미드(N-isopropyl(meth)acrylamide), N-메틸올(메타)아크릴아마이드(N-methylol(meth)acrylamide), 디아세톤(메타)아크릴아마이드(Diaceton(meth)acrylamide), 히드록시에틸(메타)아크릴아마이드(Hydroxyethyl(meth)acrylamide), N,N-디메틸(메타)아크릴아미드(N,N-dimethyl(meth)acrylamide), N,N-디에틸(메타)아크릴아마이드(N,N-diethyl(meth)acrylamide), N,N-디메틸아미노프로필(메타)아크릴아마이드(N,N-dimethylaminopropyl(meth)acrylamide) 및 (메타)아크릴로일모르폴린(Meth)acryloylmorpholine)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극용 바인더 수지.The method of claim 2, wherein the second acrylic monomer is N-isopropyl (meth)acrylamide, N-methylol (meth)acrylamide (N-methylol(meth)acrylamide) , Diaceton(meth)acrylamide, hydroxyethyl(meth)acrylamide, N,N-dimethyl(meth)acrylamide (N,N-dimethyl(meth)acrylamide) )acrylamide), N,N-diethyl(meth)acrylamide, N,N-dimethylaminopropyl(meth)acrylamide (N,N-dimethylaminopropyl(meth)acrylamide) And (meth)acryloylmorpholine (Meth)acryloylmorpholine). 제1항에 있어서, 하기의 화학식 1-1로 나타내지는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극용 바인더 수지.
[화학식 1-1]
Figure 112020084457813-pat00008

(화학식 1-1에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기를 나타내고, R3은 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 5의 히드록시알킬기를 나타내고, R4는 수소 원자, 탄소수 1 내지 5의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 5의 히드록시알킬기를 나타낸다. x, y, z, m, n 및 w 는 각각 독립적으로 자연수이다.)
The binder resin for secondary battery electrodes according to claim 1, which is represented by the following Chemical Formula 1-1.
[Formula 1-1]
Figure 112020084457813-pat00008

(In Formula 1-1, R1 and R2 each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, R3 represents a hydrogen atom or a hydroxyalkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and R4 is a hydrogen atom, It represents an alkyl group of 5 or a hydroxyalkyl group of 1 to 5 carbon atoms. x, y, z, m, n and w are each independently a natural number.)
제1항에 있어서, 하기의 화학식 1-2로 나타내지는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극용 바인더 수지.
[화학식 1-2]
Figure 112020084457813-pat00009

(화학식 1-2에서, x, y, z, m, n 및 w 는 각각 독립적으로 자연수이다.)
The binder resin for secondary battery electrodes according to claim 1, which is represented by the following Chemical Formula 1-2.
[Formula 1-2]
Figure 112020084457813-pat00009

(In Formula 1-2, x, y, z, m, n, and w are each independently a natural number.)
제1항에 있어서, 상기 붕소 함유 화합물은 붕사(borax), 붕산, 붕산리튬 및 붕산칼륨으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극용 바인더 수지.The binder resin according to claim 1, wherein the boron-containing compound contains at least one selected from the group consisting of borax, boric acid, lithium borate, and potassium borate. 폴리비닐알콜을 아크릴 모노머와 반응시켜 산기를 갖는 측쇄 그룹을 형성하는 단계;
상기 측쇄 그룹을 갖는 폴리비닐알콜을 붕소 함유 화합물과 반응시켜 분자량을 증가시키고 가교 구조를 형성하는 단계; 및
상기 측쇄 그룹의 산기를 알칼리로 중화하는 단계를 포함하며,
고형분 전체 함량에 대하여, 상기 폴리비닐알콜 35 내지 55 중량%, 상기 붕소 함유 화합물 0.1 내지 0.5 중량% 및 상기 아크릴 모노머 40 내지 60 중량%를 반응시키는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극용 바인더 수지의 제조 방법.
Reacting polyvinyl alcohol with an acrylic monomer to form a side chain group having an acid group;
Reacting the polyvinyl alcohol having the side chain group with a boron-containing compound to increase molecular weight and form a crosslinked structure; And
Neutralizing the acid group of the side chain group with an alkali,
A method for producing a binder resin for a secondary battery electrode, characterized in that 35 to 55% by weight of the polyvinyl alcohol, 0.1 to 0.5% by weight of the boron-containing compound, and 40 to 60% by weight of the acrylic monomer are reacted with respect to the total solid content .
집전체; 및
상기 집전체의 적어도 일면에 결합된 활물질층을 포함하며,
상기 활물질층은,
실리콘계 활물질 및 그래파이트를 포함하는 활물질; 및
제1항 내지 제7항 중에서 선택된 어느 하나의 바인더 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 음극.
Current collector; And
It includes an active material layer bonded to at least one surface of the current collector,
The active material layer,
An active material including a silicon-based active material and graphite; And
A negative electrode for a secondary battery comprising any one binder resin selected from claim 1 to claim 7.
제9항의 음극;
상기 음극과 이격된 양극;
상기 음극과 상기 양극을 분리하는 분리막; 및
충방전 과정에서 상기 음극과 상기 양극에 이온을 전달하는 전해질을 포함하는 리튬 이차전지.
The negative electrode of claim 9;
An anode spaced apart from the cathode;
A separator separating the cathode and the anode; And
Lithium secondary battery comprising an electrolyte that transfers ions to the negative electrode and the positive electrode during charging and discharging.
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