KR102695392B1 - Negative active material for rechargeable lithium battery, method of preparing the same, and rechargeable lithium battery including the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수의 구형화 천연흑연 입자를 포함하는 리튬 이차전지용 음극 활물질로서, 상기 구형화 천연흑연 입자는 인편상 천연흑연 절편 입자들이 양배추상 혹은 랜덤상으로 결구 및 조립된 구조를 가지며, 상기 구형화 천연흑연 입자 표면 또는 내부를 구성하는 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 전부 또는 적어도 일부 입자의 가장자리면(edge plane)에 인(P) 원자가 C-O-P 또는 C-P-O 결합을 형성하며, 상기 구형화 천연흑연 입자는 입자 표면으로부터 돌출된 구조의 볼록부와 입자 표면으로부터 함몰된 구조의 오목부를 포함하는 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 형상으로 입자의 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율이 68% 이상이고, 탭 밀도가 1.19 g/㎤ 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질, 그 제조 방법 및 상기 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지에 대한 것이다.The present invention relates to an anode active material for a lithium secondary battery comprising a plurality of spherical natural graphite particles, wherein the spherical natural graphite particles have a structure in which flaky natural graphite fragment particles are connected and assembled in a cabbage shape or random shape, and phosphorus (P) atoms form C-O-P or C-P-O bonds on the edge planes of all or at least some of the flaky natural graphite fragment particles constituting the surface or the interior of the spherical natural graphite particles, and the spherical natural graphite particles have a concave/convex surface morphology including a convex portion having a structure protruding from the particle surface and a concave portion having a structure sunken from the particle surface, and the number percentage of particles having a circularity of 0.95 or less is 68% or more, a method for producing the same, and a lithium secondary battery comprising the anode active material.
Description
본 발명은 리튬 이차전지용 음극 활물질과 이의 제조방법 및 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to an anode active material for a lithium secondary battery, a method for producing the same, and a lithium secondary battery including the anode active material for a lithium secondary battery.
모바일 기기뿐 아니라 전기자동차등의 에너지원으로서 리튬 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 이들 응용 범위 확대와 관련하여 리튬 이차전지의 고온에서의 안정성, 고출력 및 장수명 특성의 성능 향상이 요구되고 있다. The demand for lithium secondary batteries as an energy source for not only mobile devices but also electric vehicles is rapidly increasing, and in relation to the expansion of these application areas, improvements in the performance of lithium secondary batteries in terms of stability at high temperatures, high output, and long life characteristics are required.
현재 리튬 이차전지의 음극 활물질로는 결정질 흑연 재료가 사용되고 있으며, 결정질 흑연의 경우 인조흑연과 천연흑연으로 나뉜다. 상기 인조흑연은 통상 탄소 전구체를 불활성 분위기 하에서 약 3000℃ 이상의 고온에서 가열 탄화하여 불순물 제거 및 흑연화 과정을 통해 얻어지기 때문에 제조비용이 높고 흑연화도의 한계로 인해 리튬 저장용량이 천연 흑연에 비해 다소 낮지만 상대적으로 수명 특성 및 출력 특성이 우수하여 사용이 증가하고 있다. Currently, crystalline graphite materials are used as negative active materials for lithium secondary batteries, and crystalline graphite is divided into artificial graphite and natural graphite. The artificial graphite is usually obtained by heating and carbonizing a carbon precursor at a high temperature of about 3000℃ or higher in an inert atmosphere, removing impurities, and through a graphitization process, so the manufacturing cost is high and the lithium storage capacity is somewhat lower than that of natural graphite due to the limitation of the degree of graphitization. However, its use is increasing due to its relatively excellent life characteristics and output characteristics.
현재 상용화 되어 있는 천연 흑연은 인편상 천연 흑연 절편들을 양배추상 혹은 랜덤상으로 결구시켜 구형으로 조립하고 표면에 비정질 및/또는 준결정질 탄소를 코팅하여 사용한다. Natural graphite currently commercialized is made by assembling natural graphite fragments in a cabbage shape or randomly into a spherical shape and coating the surface with amorphous and/or semi-crystalline carbon.
그러나, 상기 비정질 및/또는 준결정질 탄소 코팅된 구형화 천연흑연의 경우 전해액과의 부반응에 의한 가스 발생 (gas generation) 및 부풀림 (swelling) 현상으로 성능이 크게 저하되는 문제점이 있다. 이러한 현상은 45℃ 이상의 고온에서 반복적으로 충·방전이 진행되거나 장시간 유지되는 경우 더욱 심해지는 문제가 있다. However, in the case of the amorphous and/or semi-crystalline carbon-coated spherical natural graphite, there is a problem that the performance is significantly reduced due to gas generation and swelling caused by side reactions with the electrolyte. This phenomenon becomes more severe when charging and discharging are repeated at high temperatures of 45°C or higher or when maintained for a long time.
상기 부반응은 반복적인 충·방전이 진행됨에 따라 상기 구형화 천연 흑연 입자 표면의 비정질 및 준 결정질 탄소 코팅층에 균열이 생김에 따라 상기 구형화 천연 흑연 입자 표면 및 내부를 구성하는 인편상 천연 흑연 절편 입자에서 일어나는 전해액 분해 반응에 의한 것으로, 특히 상기 인편상 천연 흑연 절편 입자들의 활성 자리(active sites)인 가장자리(edge sites)는 전해액 분해 반응을 더욱 촉진시키는 것으로 알려져 있다. The above side reaction is due to an electrolyte decomposition reaction that occurs in the flaky natural graphite fragment particles constituting the surface and interior of the spherical natural graphite particles as cracks form in the amorphous and semi-crystalline carbon coating layer on the surface of the spherical natural graphite particles as repeated charge and discharge progresses. In particular, the edge sites, which are the active sites of the flaky natural graphite fragment particles, are known to further promote the electrolyte decomposition reaction.
또한, 상기 구형화 천연흑연 입자는 인편상 천연흑연 절편 입자들이 양배추상 혹은 랜덤상으로 결구 및 조립된 구조를 갖도록 기계적인 방법으로 제조되는 것으로서 느슨한 결구 및 조립으로 인해 리튬 이차전지용 음극재로서 사용될 경우 압연을 통한 전극 제조 시 쉽게 압착되어 상기 인편상 흑연 절편 입자들이 집전체 면을 따라 배향되고, 아울러 상기 구형화 천연 흑연 입자의 압착 변형으로 전극에 있어 활물질 입자간 공극(혹은 미세 공간, pore)이 막혀 굴곡률(tortuosity)이 증가하여 전해액을 통한 리튬 이온의 이동이 어려워 충·방전 특성이 저하되는 문제점이 있다. In addition, the spherical natural graphite particles are manufactured by a mechanical method so that the flaky natural graphite fragment particles have a cabbage-like or randomly formed and assembled structure, and when used as an anode material for a lithium secondary battery, due to the loose formation and assembly, the particles are easily compressed during the manufacturing of an electrode through rolling, so that the flaky graphite fragment particles are oriented along the surface of a current collector, and further, due to the compression deformation of the spherical natural graphite particles, the gaps (or micro-spaces, pores) between active material particles in the electrode are blocked, so that the tortuosity increases, making it difficult for lithium ions to move through the electrolyte, and thus, there is a problem that the charge/discharge characteristics deteriorate.
상기 구형화 천연흑연의 경우 고밀도화에 의해 상기 전극 제조 시 쉽게 압착되는 문제를 개선할 수 있으나 구형의 형상으로 고밀도화가 이루어질 경우 상기 전극에 있어 활물질 입자들이 점 접촉(point contact)을 하게 되어 전지 내부 저항을 증가시키는 문제가 발생한다. 이에 상기 구형화 천연흑연의 고밀도화와 함께 활물질 입자 형상을 제어하여 활물질 입자 간에 접촉 면적을 증가시키는 방안이 필요하지만, 이제까지 전술한 문제점 모두를 해결할 수 있는 방안은 제시되지 못한 상태이다.In the case of the above spherical natural graphite, the problem of easy compression during electrode manufacturing can be improved by densifying, but when densifying in a spherical shape, the active material particles in the electrode make point contact, which causes a problem of increasing the internal resistance of the battery. Accordingly, a method of controlling the shape of the active material particles together with densifying the spherical natural graphite to increase the contact area between the active material particles is necessary, but a method that can solve all of the above-mentioned problems has not been presented so far.
더욱이, 고온에서의 안정성, 고출력 특성 및 장수명 특성이 상기 구형화 천연 흑연에 비해 상대적으로 우수한 인조흑연이 전기 자동차용 리튬 이차전지의 음극 활물질로 사용되고 있지만 인조흑연의 경우 고비용의 제조 공정 및 제조 공정에 있어 많은 이산화탄소(CO2)가 배출되는 문제점을 감안할 때, 고온에서의 안정성, 고출력 특성 및 장수명 특성에 있어 상기 인조흑연과 비교하여 동등 이상의 성능을 갖는 천연 흑연 음극 활물질 개발이 리튬 이차전지 관련 산업에 있어 매우 중요하다.Furthermore, although artificial graphite, which has relatively superior high-temperature stability, high-power characteristics, and long-life characteristics compared to the spherical natural graphite, is being used as an anode active material for lithium secondary batteries for electric vehicles, considering the high-cost manufacturing process and the problems of large amounts of carbon dioxide ( CO2 ) being emitted during the manufacturing process, the development of a natural graphite anode active material that has equivalent or higher performance than the artificial graphite in terms of high-temperature stability, high-power characteristics, and long-life characteristics is very important in the lithium secondary battery-related industry.
이에, 전술한 기존 천연흑연 음극 활물질의 문제점 모두를 극복할 수 있으며, 상대적으로 리튬 저장 용량이 크며 제조 비용이 낮고 자원이 풍부한 천연흑연을 사용한 천연흑연 음극 활물질이 고비용의 제조 공정 및 제조 공정에 있어 많은 이산화탄소(CO2)가 배출되는 문제점을 갖는 인조 흑연 음극 활물질을 대신할 수 있는 방안을 제시하는 것이 절실히 요구된다. Accordingly, it is urgently required to propose a method that can overcome all of the problems of the existing natural graphite negative electrode active material described above, and can replace the artificial graphite negative electrode active material that has the problem of a high-cost manufacturing process and a large amount of carbon dioxide ( CO2 ) emissions during the manufacturing process by using natural graphite, which has a relatively large lithium storage capacity, low manufacturing cost, and abundant resources.
본 발명은 상술한 종래 리튬 이차전지의 음극 활물질로서 구형화 천연흑연 문제점을 해결하기 위한 것으로, 구형화 천연흑연 입자의 표면 및 내부를 구성하는 상기 인편상 천연 흑연 절편 입자들의 활성 자리인 가장자리(edge sites)의 안정화와 함께 입자 강도가 증가하고, 음극 활물질 입자들 간에 접촉 면적을 증가시킬 수 있도록 제어된 활물질 입자 형상을 가짐으로써 고온에서의 안정적인 충·방전 사이클 수명 특성 및 우수한 고율 충·방전 특성 갖는 리튬 이차전지용 음극 활물질 및 그 제조방법, 상기 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지의 음극 및 이를 구비한 리튬 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is to solve the problem of spherical natural graphite as an anode active material of a conventional lithium secondary battery as described above, and has a controlled active material particle shape so as to increase particle strength along with stabilization of edge sites, which are active sites of the flaky natural graphite fragment particles constituting the surface and interior of the spherical natural graphite particles, and to increase the contact area between the anode active material particles, thereby providing a lithium secondary battery anode active material having stable charge/discharge cycle life characteristics at high temperatures and excellent high-rate charge/discharge characteristics and a method for producing the same, an anode of a lithium secondary battery including the anode active material, and a lithium secondary battery having the same.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 복수의 구형화 천연흑연 입자를 포함하는 리튬 이차전지용 음극 활물질로서, 상기 구형화 천연흑연 입자는 인편상 천연흑연 절편 입자들이 양배추상 혹은 랜덤상으로 결구 및 조립된 구조를 가지며, 상기 구형화 천연흑연 입자 표면 또는 내부를 구성하는 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 전부 또는 적어도 일부 입자의 가장자리면(edge plane)에 인(P) 원자가 C-O-P 또는 C-P-O 결합을 형성하며, 상기 구형화 천연흑연 입자는 입자 표면으로부터 돌출된 구조의 볼록부와 입자 표면으로부터 함몰된 구조의 오목부를 포함하는 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 형상으로 입자의 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율이 68% 이상이고, 탭 밀도가 1.19 g/㎤ 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제공한다. In order to achieve the above technical problem, the present invention provides an anode active material for a lithium secondary battery comprising a plurality of spherical natural graphite particles, wherein the spherical natural graphite particles have a structure in which flaky natural graphite fragment particles are connected and assembled in a cabbage shape or random shape, and phosphorus (P) atoms form C-O-P or C-P-O bonds on the edge plane of all or at least some of the flaky natural graphite fragment particles constituting the surface or the interior of the spherical natural graphite particles, and the spherical natural graphite particles have a concave/convex surface morphology including a convex portion having a structure protruding from the particle surface and a concave portion having a structure sunken from the particle surface, and the number percentage of particles having a circularity of 0.95 or less is 68% or more, and the tap density is 1.19 g/cm3 or more.
상기 음극 활물질, 바인더, 도전재 등을 포함하는 음극 조성물을 사용하여 1.6 g/㎤의 전극 밀도로 제조된 전극에서 상기 구형화 천연 흑연의 배향 지수는 0.08 이상인 것을 특징으로 한다. The electrode manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3 using a negative electrode composition including the negative electrode active material, binder, conductive agent, etc. is characterized in that the orientation index of the spherical natural graphite is 0.08 or more.
또한, 본 발명은 구형화 천연흑연 입자를 포함하는 리튬 이차전지용 음극 활물질로서, 상기 구형화 천연흑연 입자는 인편상 천연흑연 절편 입자들이 양배추상 혹은 랜덤상으로 결구 및 조립된 구조를 가지며, 상기 구형화 천연흑연 입자 표면 또는 내부를 구성하는 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 전부 또는 적어도 일부 입자의 가장자리면(edge plane)에 인(P) 원자가 C-O-P 또는 C-P-O 결합을 형성하여 개질되며, 추가적으로 상기 개질된 구형화 천연흑연 입자 표면에 하드카본(hard carbon) 전구체로부터 유래된 비정질 탄소 코팅층 및/또는 소프트 카본(soft carbon) 전구체로부터 유래된 준결정질 탄소 코팅층을 형성하며, 상기 비정질 또는 준결정질 탄소가 코팅된 구형화 천연흑연 입자는 입자 표면으로부터 돌출된 구조의 볼록부와 입자 표면으로부터 함몰된 구조의 오목부를 포함하는 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 형상을 가지고 입자의 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율이 68% 이상이며, 탭 밀도가 1.19 g/㎤ 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제공한다. In addition, the present invention provides a negative electrode active material for a lithium secondary battery including spherical natural graphite particles, wherein the spherical natural graphite particles have a structure in which flaky natural graphite fragment particles are connected and assembled in a cabbage shape or random shape, and phosphorus (P) atoms are modified by forming C-O-P or C-P-O bonds on the edge plane of all or at least some of the flaky natural graphite fragment particles constituting the surface or interior of the spherical natural graphite particles, and additionally, an amorphous carbon coating layer derived from a hard carbon precursor and/or a semi-crystalline carbon coating layer derived from a soft carbon precursor is formed on the surface of the modified spherical natural graphite particles, and the spherical natural graphite particles coated with the amorphous or semi-crystalline carbon have a shape having a concave/convex surface morphology including a convex portion having a structure protruding from the particle surface and a concave portion having a structure sunken from the particle surface, and the circularity of the particles is A negative active material for a lithium secondary battery is provided, characterized in that the percentage of particles having a particle size of 0.95 or less is 68% or more and the tap density is 1.19 g/cm3 or more.
상기 음극 활물질, 바인더, 도전재 등을 포함하는 음극 조성물을 사용하여 1.6 g/㎤ 의 전극 밀도로 제조된 전극에서 상기 구형화 천연 흑연의 배향 지수는 0.25 이상인 것을 특징으로 한다. The electrode manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3 using a negative electrode composition including the negative electrode active material, binder, conductive agent, etc. is characterized in that the orientation index of the spherical natural graphite is 0.25 or more.
이때, 상기 구형화 천연흑연 입자 표면에 코팅된 비정질 또는 준결정질 탄소는 음극 활물질 전체 중량 기준으로 0.1 내지 10 중량%인 것을 특징으로 한다.At this time, the amorphous or semi-crystalline carbon coated on the surface of the spherical natural graphite particles is characterized by being 0.1 to 10 wt% based on the total weight of the negative electrode active material.
상기 배향 지수는 전극에 포함된 구형화 천연 흑연의 (110)면과 (004)면을 X-선 회절(XRD) 방법으로 측정하여 각각의 측정된 XRD 피크를 적분하여 얻어진 면적비((110)/(004))인 것을 특징으로 한다. The above orientation index is characterized by being the area ratio ((110)/(004)) obtained by integrating each measured XRD peak by measuring the (110) plane and (004) plane of the spherical natural graphite included in the electrode using an X-ray diffraction (XRD) method.
상기 본 발명에 따른 음극 활물질의 일 구현 예는, 상기 개질된 구형화 천연흑연 입자는, C-O-P 또는 C-P-O 결합을 통해 인(P) 원자가 기저면(basal plane)이 아닌 가장자리면(edge plane)의 표면에만 선택적으로 결합된 인편상 천연흑연 절편 입자를 포함하는 것이 바람직하다.One embodiment of the negative active material according to the present invention is that the modified spherical natural graphite particles preferably include flake-shaped natural graphite particles in which phosphorus (P) atoms are selectively bonded only to the surface of the edge plane rather than the basal plane through C-O-P or C-P-O bonds.
상기 본 발명에 따른 음극 활물질의 일 구현 예는, 구형화 천연흑연 입자 표면 및 내부를 구성하는 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 전부 또는 적어도 일부 입자의 가장자리면이 인 화합물(Phosphorus Compound)에 의해 선택적으로 흡착된 후 열처리를 통해 표면 개질됨으로써, 상기 인편상 천연흑연 절편 입자들의 가장자리면 표면에 C-O-P 또는 C-P-O 결합이 형성되어 개질되고, 상기 개질된 구형화 천연흑연 입자를 등방적으로 가압 처리하여, 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 형상을 가지며 입자의 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율이 68% 이상이고, 탭 밀도가 1.19 g/㎤ 이상이며, 1.6 g/㎤ 의 전극 밀도로 제조된 전극에서 상기 구형화 천연흑연의 배향 지수는 0.08 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질일 수 있다. One embodiment of the negative active material according to the present invention may be a negative active material for a lithium secondary battery, characterized in that the edge surfaces of all or at least some of the flaky natural graphite fragment particles constituting the surface and interior of the spherical natural graphite particles are selectively adsorbed by a phosphorus compound and then surface-modified through heat treatment, so that C-O-P or C-P-O bonds are formed on the edge surfaces of the flaky natural graphite fragment particles and the modified spherical natural graphite particles are isotropically pressurized so that the particles have a shape having a concave/convex surface morphology and the number percentage of particles having a circularity of 0.95 or less is 68% or more, the tap density is 1.19 g/cm3 or more, and the orientation index of the spherical natural graphite is 0.08 or more in the electrode manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3. there is.
상기 본 발명에 따른 음극 활물질의 일 구현 예는, 상기 인 화합물을 통한 개질 처리 후, 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 형상을 가지며 입자의 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율이 68% 이상이 되도록 등방적으로 가압 처리된 상기 구형화 천연흑연 입자 표면에 비정질 또는 준결정질 탄소 코팅층이 존재하고, 탭 밀도가 1.19 g/㎤ 이상이며, 1.6 g/㎤ 의 전극 밀도로 제조된 전극에서 상기 구형화 천연 흑연의 배향 지수는 0.25 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질일 수 있다. One embodiment of the negative electrode active material according to the present invention may be a negative electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that an amorphous or semi-crystalline carbon coating layer exists on the surface of the spherical natural graphite particles that have been isotropically pressurized so that the percentage of the number of particles having a shape having a concave/convex surface morphology and a circularity of 0.95 or less after modification treatment using the phosphorus compound is 68% or more, and the tap density is 1.19 g/cm3 or more, and the orientation index of the spherical natural graphite in the electrode manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3 is 0.25 or more.
이때, 상기 개질 처리된 구형화 천연흑연 입자 표면에 형성된 비정질 또는 준결정질 탄소 코팅층은 음극 활물질 전체 중량 기준으로 0.1 내지 10 중량%을 포함할 수 있다.At this time, the amorphous or semi-crystalline carbon coating layer formed on the surface of the modified spherical natural graphite particles may contain 0.1 to 10 wt% based on the total weight of the negative electrode active material.
그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서, 상기 음극 활물질의 제조방법으로서, (A) 인편상 천연흑연 절편 입자들이 양배추상 혹은 랜덤상으로 결구 및 조립된 구조를 가지는 구형화 천연 흑연 입자, 인 화합물(Phosphorus Compound) 및 용매를 포함하는 용액을 준비하는 단계, (B) 상기 용액을 침지 및 교반하여 상기 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 전부 또는 적어도 일부 입자의 가장자리면(edge plane)에 선택적으로 인 화합물을 흡착시키는 단계, (C) 상기 용액을 건조하고 열처리하여 개질된 구형화 천연흑연 입자를 제조하는 단계, 및 (D) 상기 개질된 구형화 천연 흑연 입자를 등방적으로 가압해서 성형하고, 얻어진 성형체를 해쇄하는 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조 방법을 제공한다. And, in another aspect of the present invention, a method for producing the negative active material is provided, comprising the steps of (A) preparing a solution containing spherical natural graphite particles having a structure in which flake-shaped natural graphite fragment particles are formed and assembled in a cabbage shape or randomly, a phosphorus compound, and a solvent, (B) immersing and stirring the solution to selectively adsorb the phosphorus compound onto the edge plane of all or at least a portion of the flake-shaped natural graphite fragment particles, (C) drying and heat-treating the solution to produce modified spherical natural graphite particles, and (D) isotropically pressing and molding the modified spherical natural graphite particles and crushing the obtained molded body.
본 발명의 다른 일 구현예는 (a) 인편상 천연흑연 절편 입자들이 양배추상 혹은 랜덤상으로 결구 및 조립된 구조를 가지는 구형화 천연 흑연 입자, 인 화합물(Phosphorus Compound) 및 용매를 포함하는 용액을 준비하는 단계, (b) 상기 용액을 침지 및 교반하여 상기 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 전부 또는 적어도 일부 입자의 가장자리면(edge plane)에 선택적으로 인 화합물(Phosphorus Compound)을 흡착시키는 단계, (c) 상기 용액을 건조하고 열처리하여 개질된 구형화 천연흑연 입자를 제조하는 단계, (d) 상기 개질된 구형화 천연 흑연 입자를 등방적으로 가압해서 성형하고, 얻어진 성형체를 해쇄하는 단계, 및 (e) 상기 단계 (d)에서 얻어진 구형화 천연흑연 입자 표면에 비정질 및/또는 준결정질 탄소 전구체를 코팅하고 열처리하여 비정질 또는 준결정질 탄소 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a method for producing an anode active material for a lithium secondary battery, the method comprising the steps of: (a) preparing a solution containing spherical natural graphite particles having a cabbage-like or randomly-assembled structure of flake-like natural graphite fragment particles, a phosphorus compound, and a solvent, (b) immersing and stirring the solution to selectively adsorb the phosphorus compound onto the edge plane of all or at least a portion of the flake-like natural graphite fragment particles, (c) drying and heat-treating the solution to produce modified spherical natural graphite particles, (d) isotropically pressing and molding the modified spherical natural graphite particles and pulverizing the obtained molded body, and (e) coating an amorphous and/or semi-crystalline carbon precursor on the surface of the spherical natural graphite particles obtained in the step (d) and heat-treating the same to form an amorphous or semi-crystalline carbon coating layer.
상기 인 화합물은 인산트리크레실(TCP, tricresyl phosphate), 트리뷰틸포스페이트(TBP, tributyl phosphate), 트리페닐포스페이트(TPP, triphenyl phosphate), 트리에틸포스페이트(TEP, triethyl phosphate), 트리옥틸포스페이트(trioctyl phosphate), 트리토릴포스파이트(tritolyl phosphite) 및 트리이소옥틸포스파이트(tri-isooctylphosphite)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다. The above-mentioned phosphorus compound is characterized in that it is at least one selected from the group consisting of tricresyl phosphate (TCP), tributyl phosphate (TBP), triphenyl phosphate (TPP), triethyl phosphate (TEP), trioctyl phosphate, tritolyl phosphite, and tri-isooctylphosphite.
또한, 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법의 상기 단계 (A) 또는 단계 (a)에서 용액은 구형화 천연흑연 입자 100 중량부 및 인 화합물 0.000001 내지 1 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the step (A) or step (a) of the method for producing the negative active material for the lithium secondary battery, the solution is characterized in that it contains 100 parts by weight of spherical natural graphite particles and 0.000001 to 1 part by weight of a phosphorus compound.
또한, 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법의 상기 단계 (A) 또는 단계 (a)에서 용액은, 물, 에탄올, 아세톤, 메탄올 및 이소프로판올로 이루어지는 군으로부터 선택되는 용매를 포함할 수 있다.In addition, in step (A) or step (a) of the method for producing the negative active material for the lithium secondary battery, the solution may include a solvent selected from the group consisting of water, ethanol, acetone, methanol, and isopropanol.
또한, 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법의 단계 (B) 또는 단계 (b)에서 이루어지는 인 화합물(Phosphorus Compound)을 흡착시키는 공정은, 상기 용액을 상온에서 1분 내지 10시간 동안 침지 및 교반한 후 건조함으로써 수행될 수 있다.In addition, the process of adsorbing a phosphorus compound in step (B) or step (b) of the method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery can be performed by immersing and stirring the solution at room temperature for 1 minute to 10 hours and then drying it.
또한, 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법의 상기 단계 (C) 또는 단계 (c)에서 상기 용액의 건조 공정은 회전 분무, 노즐 분무 및 초음파 분무로부터 선택되는 적어도 하나의 분무 건조(spray dry)법, 회전증발기(rotary evaporator)를 이용한 건조법, 진공 건조법 또는 자연 건조법으로 수행될 수 있다. In addition, in the step (C) or step (c) of the method for producing the negative active material for the lithium secondary battery, the drying process of the solution may be performed by at least one spray drying method selected from rotary spraying, nozzle spraying, and ultrasonic spraying, a drying method using a rotary evaporator, a vacuum drying method, or a natural drying method.
또한, 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법의 상기 단계 (C) 또는 단계 (c)에서의 열처리는 공기 또는 산소를 포함하는 분위기, 질소, 아르곤 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 분위기, 또는 진공 하에서 수행될 수 있다.In addition, the heat treatment in step (C) or step (c) of the method for producing the negative electrode active material for the lithium secondary battery may be performed in an atmosphere containing air or oxygen, an atmosphere containing nitrogen, argon or a mixed gas thereof, or under vacuum.
상기 열처리가 질소, 아르곤 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 분위기, 또는 진공 하에서 수행되는 경우 200 내지 1200℃의 온도에서 수행되며, 공기 또는 산소를 포함하는 분위기에서 수행되는 경우 200 내지 600℃의 온도에서 수행될 수 있다. When the above heat treatment is performed in an atmosphere containing nitrogen, argon or a mixed gas thereof, or under vacuum, it may be performed at a temperature of 200 to 1200°C, and when it is performed in an atmosphere containing air or oxygen, it may be performed at a temperature of 200 to 600°C.
그리고, 또한, 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법의 단계 (D) 또는 단계 (d)에서의 등방적 가압 성형 처리는 냉간 정수압 성형 (Cold Isostatic Press) 방법으로 수행될 수 있다.In addition, the isotropic pressing molding treatment in step (D) or step (d) of the method for manufacturing the negative electrode active material for the lithium secondary battery can be performed by a cold isostatic pressing method.
본 발명은 발명의 또 다른 측면에서 상기 음극 활물질을 포함하는 음극, 양극 및 전해액을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. In another aspect of the present invention, the present invention provides a lithium secondary battery including a negative electrode including the negative electrode active material, a positive electrode, and an electrolyte.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되 있다. Specific details of other embodiments of the present invention are included in the detailed description below.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극 활물질은, 고온에서의 안정성이 향상되고 고온 및 상온에서의 충·방전 사이클 특성 및 충·방전 출력 특성이 우수한 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다. The negative active material for a lithium secondary battery according to the present invention can realize a lithium secondary battery having improved stability at high temperatures and excellent charge/discharge cycle characteristics and charge/discharge output characteristics at high temperatures and room temperatures.
도 1은 원형도(circularlity)를 측정하는데 채용되는 방법을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실험예 1에 따라 제조된 고배향성 열분해 흑연(Highlyoriented pyrolytic graphite) 샘플의 XPS 분석 결과이다.
도 3은 본 발명의 실험예 2에 따라 제조된 고배향성 열분해 흑연(Highlyoriented pyrolytic graphite) 샘플의 XPS 분석 결과이다.
도 4a 및 도 4b는 비교예 2에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5a 및 도 5b는 비교예 3에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6a 및 도 6b는 실시예 1에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 7a 및 도 7b는 실시예 2에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 실시예 3에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 9은 실시예 4에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 10은 비교예 1에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 11은 비교예 4에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 12a 및 도 12b는 비교예 5에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 13은 비교예 6에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 14는 실시예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 1.6 g/㎤ 의 전극 밀도로제조된 음극 표면의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 15는 실시예 4에 따른 음극 활물질을 사용하여 1.6 g/㎤ 의 전극 밀도로제조된 음극 표면의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 16은 비교예 1에 따른 음극 활물질을 사용하여 1.6 g/㎤ 의 전극 밀도로제조된 음극 표면의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 17은 비교예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 1.6 g/㎤ 의 전극 밀도로제조된 음극 표면의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 18은 비교예 4에 따른 음극 활물질을 사용하여 1.6 g/㎤ 의 전극 밀도로제조된 음극 표면의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 19는 비교예 7에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 20은 실시예 2 와 비교예 3에 따른 음극 활물질에 대한 원형도 분포 곡선이다.
도 21은 실시예 1 내지 4 와 비교예 1에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 45℃에서 충·방전 동안 사이클에 따른 쿨롱 효율 변화이다.
도 22는 실시예 2 와 비교예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 45℃에서 충·방전 동안 사이클에 따른 쿨롱 효율 변화이다.
도 23은 실시예 2 와 비교예 4에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 45℃에서 충·방전 동안 사이클에 따른 쿨롱 효율 변화이다.
도 24는 실시예 2 와 비교예 5에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 45℃에서 충·방전 동안 사이클에 따른 쿨롱 효율 변화이다.
도 25는 실시예 2 와 비교예 6에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 45℃에서 충·방전 동안 사이클에 따른 쿨롱 효율 변화이다.
도 26은 실시예 2 와 비교예 7에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 45℃에서 충·방전 동안 사이클에 따른 쿨롱 효율 변화이다.
도 27은 실시예 2 와 비교예 7에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 45℃에서 충·방전 사이클 특성이다.
도 28a 및 도 28b는 실시예 2 와 비교예 1 및 2에 따른 각각의 음극 활물질을 사용하여 제조된 전극에 대한 30℃에서 풀 셀(full cell) 적용 사이클 수명 특성 및 충·방전 동안 사이클에 따른 쿨롱 효율 변화이다. Figure 1 shows the method employed to measure circularity.
Figure 2 shows the XPS analysis results of a highly oriented pyrolytic graphite sample manufactured according to Experimental Example 1 of the present invention.
Figure 3 shows the XPS analysis results of a highly oriented pyrolytic graphite sample manufactured according to Experimental Example 2 of the present invention.
Figures 4a and 4b are scanning electron microscope (SEM) images of the negative active material according to Comparative Example 2.
Figures 5a and 5b are scanning electron microscope (SEM) images of the negative active material according to Comparative Example 3.
Figures 6a and 6b are scanning electron microscope (SEM) images of the negative active material according to Example 1.
Figures 7a and 7b are scanning electron microscope (SEM) images of the negative active material according to Example 2.
Figure 8 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the negative active material according to Example 3.
Figure 9 is a scanning electron microscope (SEM) image of the negative active material according to Example 4.
Figure 10 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the negative active material according to Comparative Example 1.
Figure 11 is a scanning electron microscope (SEM) image of the negative active material according to Comparative Example 4.
Figures 12a and 12b are scanning electron microscope (SEM) images of the negative active material according to Comparative Example 5.
Figure 13 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the negative active material according to Comparative Example 6.
Figure 14 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of a negative electrode manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3 using a negative electrode active material according to Example 2.
Figure 15 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of a negative electrode manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3 using a negative electrode active material according to Example 4.
Figure 16 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of a negative electrode manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3 using a negative electrode active material according to Comparative Example 1.
Figure 17 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of a negative electrode manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3 using a negative electrode active material according to Comparative Example 2.
Figure 18 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of a negative electrode manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3 using a negative electrode active material according to Comparative Example 4.
Figure 19 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the negative active material according to Comparative Example 7.
Figure 20 is a circularity distribution curve for the negative electrode active materials according to Example 2 and Comparative Example 3.
Figure 21 shows the change in coulombic efficiency according to cycles during charge and discharge at 45°C of negative electrodes manufactured using negative electrode active materials according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1.
Figure 22 shows the change in coulombic efficiency according to cycles during charge and discharge at 45°C of negative electrodes manufactured using negative electrode active materials according to Example 2 and Comparative Example 2.
Figure 23 shows the change in coulombic efficiency according to cycles during charge and discharge at 45°C of negative electrodes manufactured using negative electrode active materials according to Example 2 and Comparative Example 4.
Figure 24 shows the change in coulombic efficiency according to cycles during charge and discharge at 45°C of a negative electrode manufactured using a negative electrode active material according to Example 2 and Comparative Example 5.
Figure 25 shows the change in coulombic efficiency according to cycles during charge and discharge at 45°C of a negative electrode manufactured using a negative electrode active material according to Example 2 and Comparative Example 6.
Figure 26 shows the change in coulombic efficiency according to cycles during charge and discharge at 45°C of a negative electrode manufactured using a negative electrode active material according to Example 2 and Comparative Example 7.
Figure 27 shows the charge/discharge cycle characteristics at 45°C of the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Example 2 and Comparative Example 7.
FIGS. 28a and 28b show the full cell application cycle life characteristics and the change in coulombic efficiency according to the cycle during charge and discharge at 30°C for electrodes manufactured using the respective negative active materials according to Example 2 and Comparative Examples 1 and 2.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since embodiments according to the concept of the present invention can have various changes and can take various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. However, this is not intended to limit embodiments according to the concept of the present invention to specific disclosed forms, and it should be understood that it includes all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 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 terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. It should be understood that, as used herein, the terms "comprises" or "has" and the like are intended to specify the presence of a described feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof, but do not exclude in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극 활물질은 구형화 천연흑연 입자를 포함하며, 상기 구형화 천연흑연 입자는 인편상 천연흑연 절편 입자들이 양배추상 혹은 랜덤상으로 결구 및 조립된 구조를 가지되, 상기 구형화 천연흑연 입자 표면 또는 내부를 구성하는 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 전부 또는 적어도 일부 입자의 가장자리면(edge plane)에 인(P) 원자가 C-O-P 또는 C-P-O 결합을 형성하며, 상기 구형화 천연흑연 입자는 입자 표면으로부터 돌출된 구조의 볼록부와 입자 표면으로부터 함몰된 구조의 오목부를 포함하는 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 형상을 가지며 입자의 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율이 68% 이상이고, 탭 밀도가 1.19 g/㎤ 이상이며, 1.6 g/㎤ 의 전극 밀도로 제조된 전극에서 상기 구형화 천연 흑연의 배향 지수는 0.08 이상인 것을 특징으로 한다. The negative active material for a lithium secondary battery according to the present invention comprises spherical natural graphite particles, wherein the spherical natural graphite particles have a structure in which flaky natural graphite fragment particles are connected and assembled in a cabbage shape or random shape, and phosphorus (P) atoms form C-O-P or C-P-O bonds on the edge plane of all or at least some of the flaky natural graphite fragment particles constituting the surface or interior of the spherical natural graphite particles, and the spherical natural graphite particles have a shape having a concave/convex surface morphology including a convex portion having a structure protruding from the particle surface and a concave portion having a structure sunken from the particle surface, and the number percentage of particles having a circularity of 0.95 or less is 68% or more, the tap density is 1.19 g/cm3 or more, and the orientation index of the spherical natural graphite in an electrode manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3 is It is characterized by a value of 0.08 or higher.
본 발명에 따른 리튬 이차전지용 음극 활물질에 포함된 구형화 천연흑연 입자의 형상을 나타내는 대표적인 파라미터(parameter)로서 원형도(circularlity)가 사용된다. 상기 원형도는 얼마나 원에 근접하는가를 나타내는 것으로, 도 1은 원형도(circularlity)를 측정하는데 채용되는 방법을 나타낸다.Circularity is used as a representative parameter indicating the shape of spherical natural graphite particles included in the negative electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention. The circularity indicates how close it is to a circle, and Fig. 1 shows a method employed to measure circularity.
3차원의 천연흑연 음극 활물질 입자를 2차원의 평면에 투영해서 관찰되는 입자 P의 원형도는 도1에서 나타낸 바와 같이, 비율 PD/Pr에 해당하는 것으로서, 여기서 Pr 은 관찰되는 입자의 둘레를 나타내며, PD는 관찰되는 입자와 동일한 면적을 갖는 원판의 둘레를 나타낸다. The circularity of the particle P observed by projecting the three-dimensional natural graphite negative electrode active material particle onto a two-dimensional plane is, as shown in Fig. 1, equivalent to the ratio P D /P r , where P r represents the perimeter of the observed particle and P D represents the perimeter of a disk having the same area as the observed particle.
이에 따라, 원형도(circularlity)는 아래 식으로 정의된다. Accordingly, circularity is defined as follows.
원형도(circularlity) = (4πAp)/Pr 2 Circularity = (4πA p )/P r 2
여기서, 입자 P의 원형도는 사진 상에서 관찰되는 입자 P의 면적 Ap 와 동등한 면적을 갖는 원판 D의 둘레 PD 를 확정함으로써 구해진다. 상기 입자 P의 둘레 Pr 또한 확정된다.Here, the circularity of the particle P is obtained by determining the perimeter P D of a disk D having an area equal to the area A p of the particle P observed in the photograph. The perimeter P r of the particle P is also determined.
원형도는 0-1의 값을 갖는다. 완벽한 원의 원형도는 1이고 매우 뾰족하거나 불규칙한 형상의 입자의 원형도는 0에 가까운 값을 갖는다.Circularity has a value from 0 to 1. A perfect circle has a circularity of 1, and a particle with a very pointed or irregular shape has a circularity value close to 0.
상기 본 발명에 따른 음극 활물질의 일례로서, 구형화 천연 흑연 및 상기 구형화 천연 흑연 표면 또는 내부를 구성하는 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 전부 또는 적어도 일부 입자의 가장자리면(Edge plane)이 인 화합물(Phosphorus Compound)에 의해 선택적으로 흡착된 후 열처리를 통해 표면 개질이 이루어지고, 이어서 등방적 가압 처리에 의한 상기 구형화 흑연 입자의 고밀도화가 이루어지고, 상기 구형화 천연흑연 입자는 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 형상을 가지며 입자의 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율이 68% 이상인 것이 바람직하다. As an example of the negative active material according to the present invention, it is preferable that the edge planes of all or at least some of the spherical natural graphite and the flake-shaped natural graphite fragment particles constituting the surface or interior of the spherical natural graphite are selectively adsorbed with a phosphorus compound, and then surface modified through heat treatment, and then the spherical graphite particles are densified through isotropic pressurization, and the spherical natural graphite particles have a shape having a concave/convex surface morphology, and the percentage of particles having a circularity of 0.95 or less is 68% or more.
이로써, 상기 구형화 천연흑연이 리튬 이차전지용 음극 활물질로 사용될 경우 상기 구형화 천연흑연 입자에 있어, 상기 인편상 천연 흑연 절편 입자들의 활성 자리 (active sites)인 가장자리 (edge sites)에서의 전해액 분해 반응이 억제되며, 동시에 압연을 통한 전극 제조시 압착에 대한 저항성이 증가되어 배향 지수 특성이 향상되며, 아울러 고밀도화에 따른 입자 강도 증가 및 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 가지며 입자의 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율이 68% 이상인 입자 형상으로 인해 전극에 있어 상기 음극 활물질 입자간 공극(혹은, 미세 공간, pore)을 통한 리튬 이온의 이동이 원활하고, 상기 음극 활물질 입자간 접촉 면적이 증가하여 전기적 전도성이 향상되어 상기 음극 활물질을 사용한 리튬 이차전지 음극의 충·방전 특성이 향상된다. Accordingly, when the spherical natural graphite is used as an anode active material for a lithium secondary battery, the electrolyte decomposition reaction is suppressed at the edge sites, which are active sites of the flaky natural graphite fragment particles, in the spherical natural graphite particles, and at the same time, the resistance to compression is increased when manufacturing an electrode through rolling, thereby improving the orientation index characteristics. In addition, due to the particle shape in which the particle strength is increased due to densification and the number percentage of particles having a concave/convex surface morphology and a circularity of 0.95 or less is 68% or more, the movement of lithium ions through the gaps (or microspaces, pores) between the anode active material particles in the electrode is smooth, and the contact area between the anode active material particles increases, thereby improving the electrical conductivity, thereby improving the charge/discharge characteristics of a lithium secondary battery anode using the anode active material.
상기 본 발명에 따른 음극 활물질의 일 구현 예는, 상기 개질 처리 후 가압 처리하여 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 형상을 가지며 입자의 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율이 68% 이상인 구형화 천연흑연 입자 표면에 비정질 또는 준결정질 탄소 코팅층을 형성하고, 탭 밀도가 1.19 g/㎤ 이상이며, 1.6 g/㎤의 전극 밀도로 제조된 전극에서 상기 구형화 천연흑연의 배향 지수는 0.25 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질이다. One embodiment of the negative electrode active material according to the present invention is a lithium secondary battery negative electrode active material characterized in that an amorphous or semi-crystalline carbon coating layer is formed on the surface of spherical natural graphite particles, which have a shape having a concave/convex surface morphology through a pressurization treatment after the above-described modification treatment and in which the percentage of particles having a circularity of 0.95 or less is 68% or more, and in which the tap density is 1.19 g/cm3 or more and the orientation index of the spherical natural graphite is 0.25 or more in the electrode manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3.
상기 개질 처리 후 가압 성형 처리된 구형화 천연흑연 입자 표면의 상기 비정질 또는 준결정질 탄소 코팅량은 음극 활물질 전체 중량 기준으로 0.1 내지 10중량%이며, 바람직하게는 0.1 내지 5중량 % 일 수 있다.The amount of amorphous or semi-crystalline carbon coating on the surface of the spherical natural graphite particles subjected to the above-mentioned modification treatment and pressure molding treatment may be 0.1 to 10 wt%, and preferably 0.1 to 5 wt%, based on the total weight of the negative electrode active material.
상기 개질 처리 후 등방적 가압 성형 처리된 구형화 천연흑연 입자 표면에 비정질 또는 준결정질 탄소가 코팅되는 경우, 상기 비정질 및/또는 준결정질 탄소 코팅층 형성에 따라 추가적으로 입자의 강도가 증가할 수 있어, 이로써 상기 배향 지수는 0.25 이상인 것이 바람직하다. When amorphous or semi-crystalline carbon is coated on the surface of the spherical natural graphite particles that have been isotropically pressurized after the above modification treatment, the strength of the particles can additionally increase according to the formation of the amorphous and/or semi-crystalline carbon coating layer, and thus, it is preferable that the orientation index be 0.25 or more.
본 발명에서, 상기 구형화 천연 흑연의 배향 지수와 관련하여, 대부분 상용 구형화 천연 흑연 음극의 경우 전극 밀도는 대략 1.6 g/㎤인 점을 고려하여 1.6 g/㎤의 전극 밀도로 제조된 전극에서 측정된 값을 상기 구형화 천연 흑연의 배향 지수로 정하였다. In the present invention, with respect to the orientation index of the spheroidized natural graphite, considering that the electrode density of most commercially available spheroidized natural graphite negative electrodes is approximately 1.6 g/cm3, the value measured in an electrode manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3 was determined as the orientation index of the spheroidized natural graphite.
상기 구형화 천연흑연으로 제조된 음극에서 상기 구형화 천연 흑연의 배향 지수는 상기 전극의 밀도에 의존할 수 있다. In the negative electrode manufactured from the above spherical natural graphite, the orientation index of the spherical natural graphite may depend on the density of the electrode.
본 발명에서 상기 배향 지수는 X-선 회절 (XRD) 방법으로 측정하며, 전극에 포함된 구형화 천연흑연의 (110)면과 (004)면을 각각의 측정된 X-선 회절 피크를 적분하여 얻어진 면적비((110)/(004))인 것을 특징으로 한다. In the present invention, the orientation index is measured by an X-ray diffraction (XRD) method, and is characterized by being an area ratio ((110)/(004)) obtained by integrating the measured X-ray diffraction peaks of the (110) plane and the (004) plane of the spherical natural graphite included in the electrode.
상기 구형화 천연흑연 입자는 대한민국 공개특허 제2003-0087986호 및 제2005-0009245호에 제시된 방법으로 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 평균입경 30㎛ 이상의 인편상 천연흑연을 회전식 가공기를 사용하여 반복 가공 처리하는 단계를 수행하여, 상기 회전식 가공기 내측면과 상기 인편상 천연흑연 분말 간의 충돌에 의한 분쇄와 마찰가공, 전단응력에 의한 분말의 전단가공 등을 통해 인편상 천연흑연 입자들의 조립화가 이루어져 최종적으로 구형화 천연흑연 입자가 제조될 수 있다.The above spherical natural graphite particles can be formed by the methods presented in Korean Patent Publication Nos. 2003-0087986 and 2005-0009245, but are not limited thereto. For example, by performing a step of repeatedly processing flaky natural graphite having an average particle diameter of 30 ㎛ or more using a rotary processing machine, the flaky natural graphite particles are assembled through pulverization by collision between the inner surface of the rotary processing machine and the flaky natural graphite powder, friction processing, shearing processing of the powder by shear stress, etc., so that spherical natural graphite particles can be ultimately manufactured.
이와 같은 방법으로 상기 구형화 천연흑연 입자는 인편상 천연흑연 절편들이 양배추상 또는 랜덤상으로 결구되어 조립화됨으로써 형성될 수 있다. 보다 바람직하게는 인편상 천연흑연 절편들이 표면부에는 양배추상 및 중심부에는 랜덤상으로 결구 및 조립되어 형성 될 수 있다.In this way, the spherical natural graphite particles can be formed by assembling and linking the flaky natural graphite fragments into a cabbage shape or random shape. More preferably, the flaky natural graphite fragments can be formed by linking and linking and linking them into a cabbage shape on the surface and a random shape in the center.
또한, 상기 구형화 천연흑연 입자는 원형뿐 아니라 타원형일 수도 있다. Additionally, the spherical natural graphite particles may be oval in shape as well as circular.
상기 구형화 천연흑연 입자의 평균입경(D50)은 10 내지 20㎛ 일 수 있고, 구체적으로는 12 내지 18㎛ 일 수 있다. 상기 D50은 입도 분포에서 누적 체적이 50 부피%에 해당하는 입자의 평균 지름을 의미한다. 상기 범위 내의 평균입경을 가진 구형화 천연흑연 입자를 사용할 경우 인편상 천연흑연 절편들이 양배추상 또는 랜덤상으로 결구되어 조립화 과정이 용이하고, 전기화학적 특성이 향상될 수 있다. The average particle diameter (D50) of the above-mentioned spherical natural graphite particles may be 10 to 20 μm, and specifically, 12 to 18 μm. The above-mentioned D50 refers to the average diameter of particles having a cumulative volume of 50% by volume in a particle size distribution. When spherical natural graphite particles having an average particle diameter within the above range are used, the flake-like natural graphite fragments are connected in a cabbage shape or random shape, so that the assembly process is easy and the electrochemical characteristics can be improved.
상기 기계적인 방법으로 제조되는 구형화 천연 흑연 입자는 상기 인편상 흑연 절편 입자들의 느슨한 결구 및 조립으로 인해 리튬 이차전지용 음극재로서 사용될 경우 압연을 통한 전극 제조시 쉽게 압착되어 상기 인편상 흑연 절편 입자들이 집전체 면을 따라 배향되고, 아울러 상기 구형화 천연 흑연 입자의 압착 변형으로 전극에 있어 활물질 입자간 공극이 막혀 굴곡률(tortuosity)이 증가하여 전해액을 통한 리튬 이온의 이동이 어려워 충·방전 특성이 저하되는 문제점이 있다. The spherical natural graphite particles manufactured by the mechanical method described above have a problem in that, when used as an anode material for a lithium secondary battery, the spherical graphite particles are easily compressed during the rolling process for manufacturing an electrode due to the loose bonding and assembly of the flaky graphite fragment particles, so that the flaky graphite fragment particles are oriented along the surface of a current collector, and further, the compression deformation of the spherical natural graphite particles blocks the gaps between active material particles in the electrode, so that the tortuosity increases, making it difficult for lithium ions to move through an electrolyte, thereby deteriorating the charge/discharge characteristics.
전술한 본 발명에 따른 음극 활물질은 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.The negative active material according to the present invention described above can be manufactured by the following method.
즉, 상기 구형화 천연 흑연 입자 표면 또는 내부를 구성하는 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 전부 또는 적어도 일부 입자 각각의 가장자리면에 선택적으로 상기 인 화합물을 흡착시킨 구형화 천연 흑연 입자를 제조한 후, 열처리를 통해 상기 인편상 천연흑연 절편 입자의 가장자리면에 C-O-P 또는 C-P-O 결합을 형성함으로써 상기 구형화 천연 흑연 입자를 개질하고, 이어서 등방적 가압 성형 처리에 의한 상기 구형화 흑연 입자의 고밀도화 과정을 거쳐 입자 강도 증가와 함께 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 가지며 입자의 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율이 68% 이상인 특징을 갖는 음극 활물질을 제조할 수 있다.That is, by selectively adsorbing the phosphorus compound to the edge surface of each of all or at least some of the flaky natural graphite fragment particles constituting the surface or interior of the spherical natural graphite particles, and then modifying the spherical natural graphite particles by forming C-O-P or C-P-O bonds on the edge surface of the flaky natural graphite fragment particles through heat treatment, and then subjecting the spherical graphite particles to a densification process by isotropic pressing, it is possible to manufacture a negative electrode active material having the characteristics of increased particle strength, a concave/convex surface morphology, and a particle circularity of 0.95 or less of 68% or more.
상기 표면 개질 및 등방적 가압 성형 처리된 상기 구형화 천연흑연 입자 표면에 추가적으로 비정질 및/또는 준결정질 탄소 코팅층을 형성할 수 있다. An amorphous and/or semi-crystalline carbon coating layer can be additionally formed on the surface of the spherical natural graphite particles subjected to the surface modification and isotropic pressure forming treatment.
상기 구형화 천연 흑연 입자는 인편상 천연흑연 분말 간의 충돌에 의한 분쇄와 분말들 간의 마찰가공, 전단응력에 의한 분말의 전단가공 등을 통해 인편상 천연흑연 입자들이 기계적 에너지를 이용하여 물리적으로 조립화가 이루어지기 때문에 상기 구형화 천연 흑연 입자를 구성하는 상기 인편상 천연흑연 절편 입자들 사이에 미세한 틈새가 존재한다. Since the above spherical natural graphite particles are physically assembled using mechanical energy through pulverization by collision between flake-shaped natural graphite powders, friction processing between powders, shearing processing of powders by shear stress, etc., there are fine gaps between the flake-shaped natural graphite fragment particles that constitute the above spherical natural graphite particles.
상기 인 화합물의 경우 분자량이 매우 작아 상기 흡착 과정 동안에 상기 구형화 천연흑연 입자를 구성하는 상기 인편상 천연흑연 절편 입자들 사이에 미세한 틈새로 상기 인 화합물을 포함하는 용액이 유입될 수 있다. 이로써, 상기 구형화 천연흑연 입자 표면을 구성하는 인편상 천연흑연 절편 입자들뿐만 아니라 상기 구형화 천연흑연 입자 내부에 존재하는 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 적어도 일부 입자들 각각의 가장자리면에 선택적으로 상기 인 화합물이 흡착될 수 있다.In the case of the above phosphorus compound, since the molecular weight is very small, a solution containing the phosphorus compound can flow into the fine gaps between the flaky natural graphite fragment particles constituting the spherical natural graphite particles during the adsorption process. Accordingly, the phosphorus compound can be selectively adsorbed to the edge surface of each of at least some of the flaky natural graphite fragment particles existing inside the spherical natural graphite particles as well as the flaky natural graphite fragment particles constituting the surface of the spherical natural graphite particles.
상기 인 화합물은 인산트리크레실(TCP, tricresyl phosphate), 트리뷰틸포스페이트(TBP, tributyl phosphate), 트리페닐포스페이트(TPP, triphenyl phosphate), 트리에틸포스페이트(TEP, triethyl phosphate), 트리옥틸포스페이트(trioctyl phosphate), 트리토릴포스파이트(tritolyl phosphite) 및 트리이소옥틸포스파이트(tri-isooctylphosphite)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The above-mentioned phosphorus compound may include at least one selected from the group consisting of tricresyl phosphate (TCP), tributyl phosphate (TBP), triphenyl phosphate (TPP), triethyl phosphate (TEP), trioctyl phosphate, tritolyl phosphite, and tri-isooctylphosphite.
상기 인 화합물을 사용하여 개질된 구형화 천연 흑연 입자를 제조하기 위해 사용되는 상기 인 화합물은 구형화 천연흑연 입자 100 중량부에 대하여 0.000001 내지 1 중량부로 포함될 수 있고, 보다 바람직하게는 0.00001 내지 0.5 중량부로 포함될 수 있다. 상기 인 화합물이 1 중량부를 초과하는 경우 상기 구형화 천연흑연 입자 표면에서의 전하이동(charge transfer)에 대한 저항이 증가하여 출력특성 및 사이클 특성이 저하될 수 있다. 상기 인 화합물이 0.000001 중량부 미만인 경우 상기 구형화 천연흑연 입자 표면에 대한 표면 개질 효과가 미흡하게 나타날 수 있다.The phosphorus compound used to manufacture the modified spherical natural graphite particles using the above-mentioned phosphorus compound may be contained in an amount of 0.000001 to 1 part by weight, more preferably 0.00001 to 0.5 part by weight, based on 100 parts by weight of the spherical natural graphite particles. When the phosphorus compound exceeds 1 part by weight, resistance to charge transfer on the surface of the spherical natural graphite particles may increase, resulting in deterioration of the output characteristics and cycle characteristics. When the phosphorus compound is less than 0.000001 part by weight, the surface modification effect on the surface of the spherical natural graphite particles may be insufficient.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 구형화 천연 흑연 입자의 표면 또는 내부를 구성하는 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 전부 또는 적어도 일부 입자의 가장자리면(Edge plane)이 인 화합물(Phosphorus Compound)에 의해 선택적으로 흡착된 후 열처리를 통해 표면 개질되며, 상기 인 화합물은 구형화 천연흑연 입자 100 중량부에 대하여 0.000001 내지 1 중량부로 포함될 수 있고, 보다 바람직하게는 0.00001 내지 0.5 중량부로 포함될 수 있어 상기 개질에 따른 리튬 이차전지용 음극활물질로서 용량 감소가 거의 없다. According to one embodiment of the present invention, the edge planes of all or at least some of the flake natural graphite particles constituting the surface or interior of the spherical natural graphite particles are selectively adsorbed with a phosphorus compound and then surface-modified through heat treatment. The phosphorus compound may be included in an amount of 0.000001 to 1 part by weight, and more preferably 0.00001 to 0.5 part by weight, based on 100 parts by weight of the spherical natural graphite particles, so that there is almost no decrease in capacity as a negative electrode active material for a lithium secondary battery due to the modification.
그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서, 상기 음극 활물질의 제조방법으로서, (A) 인편상 천연흑연 절편 입자들이 양배추상 혹은 랜덤상으로 결구 및 조립된 구조를 가지는 구형화 천연 흑연 입자, 인 화합물(Phosphorus Compound) 및 용매를 포함하는 용액을 준비하는 단계, (B) 상기 용액을 침지 및 교반하여 상기 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 전부 또는 적어도 일부 입자의 가장자리면(edge plane)에 선택적으로 인 화합물(Phosphorus Compound)을 흡착시키는 단계, (C) 상기 용액을 건조하고 열처리하여 개질된 구형화 천연흑연 입자를 제조하는 단계, 및 (D) 상기 개질된 구형화 천연 흑연 입자를 등방적으로 가압해서 성형하고, 얻어진 성형체를 해쇄하는 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공한다. And, in another aspect of the present invention, as a method for manufacturing the negative active material, the present invention provides a method for manufacturing the negative active material for a lithium secondary battery, comprising the steps of: (A) preparing a solution containing spherical natural graphite particles having a structure in which flake-shaped natural graphite fragment particles are formed and assembled in a cabbage shape or randomly, a phosphorus compound, and a solvent, (B) immersing and stirring the solution to selectively adsorb the phosphorus compound onto the edge plane of all or at least a portion of the flake-shaped natural graphite fragment particles, (C) drying and heat-treating the solution to manufacture modified spherical natural graphite particles, and (D) isotropically pressing and molding the modified spherical natural graphite particles and pulverizing the obtained molded body.
본 발명의 다른 일 구현에는 (a) 인편상 천연흑연 절편 입자들이 양배추상 혹은 랜덤상으로 결구 및 조립된 구조를 가지는 구형화 천연 흑연 입자, 인 화합물(Phosphorus Compound) 및 용매를 포함하는 용액을 준비하는 단계, (b) 상기 용액을 침지 및 교반하여 상기 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 전부 또는 적어도 일부 입자의 가장자리면(edge plane)에 선택적으로 인 화합물(Phosphorus Compound)을 흡착시키는 단계, (c) 상기 용액을 건조하고 열처리하여 개질된 구형화 천연흑연 입자를 제조하는 단계, (d) 상기 개질된 구형화 천연 흑연 입자를 등방적으로 가압해서 성형하고, 얻어진 성형체를 해쇄하는 단계, 및 (e) 상기 개질후 가압 성형 처리된 구형화 천연흑연 입자 표면에 비정질 및/또는 준결정질 탄소 전구체를 코팅하고 열처리하여 비정질 또는 준결정질 탄소 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법을 제공한다.In another embodiment of the present invention, a method for producing an anode active material for a lithium secondary battery is provided, comprising the steps of: (a) preparing a solution containing spherical natural graphite particles having a cabbage-like or randomly-assembled structure of flake-like natural graphite fragment particles, a phosphorus compound, and a solvent, (b) immersing and stirring the solution to selectively adsorb the phosphorus compound onto the edge plane of all or at least a portion of the flake-like natural graphite fragment particles, (c) drying and heat-treating the solution to produce modified spherical natural graphite particles, (d) isotropically pressing and molding the modified spherical natural graphite particles and pulverizing the obtained molded body, and (e) coating an amorphous and/or semi-crystalline carbon precursor on the surface of the spherical natural graphite particles subjected to the pressurization and molding after the modification and heat-treating to form an amorphous or semi-crystalline carbon coating layer.
상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법의 상기 단계 (A) 또는 단계 (a)에서 용액은 구형화 천연흑연 입자 100 중량부 및 인 화합물 0.000001 내지 1 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the step (A) or step (a) of the method for producing the negative active material for the lithium secondary battery, the solution is characterized in that it contains 100 parts by weight of spherical natural graphite particles and 0.000001 to 1 part by weight of a phosphorus compound.
또한, 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법의 상기 단계 (A) 또는 단계 (a)에서에서 용액은, 물, 에탄올, 아세톤, 메탄올 및 이소프로판올로 이루어지는 군으로부터 선택되는 용매를 포함할 수 있다.In addition, in step (A) or step (a) of the method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, the solution may include a solvent selected from the group consisting of water, ethanol, acetone, methanol, and isopropanol.
또한, 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법의 단계 (B) 또는 단계 (b)에서 이루어지는 인 화합물(Phosphorus Compound)을 흡착시키는 공정은, 상기 용액을 상온에서 1분 내지 10시간 동안 침지 및 교반한 후 건조함으로써 수행될 수 있다.In addition, the process of adsorbing a phosphorus compound in step (B) or step (b) of the method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery can be performed by immersing and stirring the solution at room temperature for 1 minute to 10 hours and then drying it.
또한, 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법의 상기 단계 (C) 또는 단계 (c)에서의 상기 용액의 건조 공정은 회전 분무, 노즐 분무 및 초음파 분무로부터 선택되는 적어도 하나의 분무 건조(spray dry)법, 회전증발기(rotary evaporator)를 이용한 건조법, 진공 건조법 또는 자연 건조법으로 수행될 수 있다. In addition, the drying process of the solution in step (C) or step (c) of the method for producing the negative active material for the lithium secondary battery may be performed by at least one spray drying method selected from rotary spraying, nozzle spraying, and ultrasonic spraying, a drying method using a rotary evaporator, a vacuum drying method, or a natural drying method.
그리고, 또한, 상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법의 상기 단계 (C) 또는 단계 (c)에서의 열처리는 공기 또는 산소를 포함하는 분위기, 질소, 아르곤 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 분위기, 또는 진공 하에서 수행될 수 있다.In addition, the heat treatment in step (C) or step (c) of the method for producing the negative active material for the lithium secondary battery may be performed in an atmosphere containing air or oxygen, an atmosphere containing nitrogen, argon or a mixed gas thereof, or under vacuum.
상기 열처리가 질소, 아르곤 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 분위기, 또는 진공 하에서 수행되는 경우 200 내지 1200℃의 온도에서 수행되며, 공기 또는 산소를 포함하는 분위기에서 수행되는 경우 200 내지 600℃의 온도에서 수행될 수 있다. When the above heat treatment is performed in an atmosphere containing nitrogen, argon or a mixed gas thereof, or under vacuum, it may be performed at a temperature of 200 to 1200°C, and when it is performed in an atmosphere containing air or oxygen, it may be performed at a temperature of 200 to 600°C.
상기 열처리가 질소, 아르곤 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 분위기, 또는 진공 하에서 수행되는 경우 1200℃를 초과하는 온도에서 수행되거나, 공기 또는 산소를 포함하는 분위기에서 수행되는 경우 600℃를 초과하는 온도에서 수행될 경우 상기 흡착된 인 화합물이 대부분 분해 및 제거되어 상기 구형화 천연흑연 입자 표면에 대한 개질 효과가 미흡하게 나타날 수 있다.If the above heat treatment is performed at a temperature exceeding 1200°C in an atmosphere containing nitrogen, argon or a mixed gas thereof, or under vacuum, or if it is performed at a temperature exceeding 600°C in an atmosphere containing air or oxygen, most of the adsorbed phosphorus compounds may be decomposed and removed, resulting in an insufficient modification effect on the surface of the spherical natural graphite particles.
또한, 상기 열처리가 200℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우 상기 흡착된 인 화합물이 충분히 분해되지 않아 상기 구형화 천연흑연 입자에 대한 표면 개질 효과가 미흡하게 나타날 수 있다.In addition, if the heat treatment is performed at a temperature lower than 200°C, the adsorbed phosphorus compound may not be sufficiently decomposed, and thus the surface modification effect on the spherical natural graphite particles may be insufficient.
상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법의 단계 (D) 또는 단계 (d)에서의 상기 개질 구형화 천연 흑연 입자에 대한 등방적 가압 성형 처리는 통상적으로 진행 될 수 있는 상온에서 등방적 가압 (Cold Isostatic Pressing) 방법을 이용할 수 있다. In step (D) or step (d) of the method for producing the negative active material for the lithium secondary battery, the isotropic pressing treatment for the modified spherical natural graphite particles can be performed using a cold isostatic pressing method at room temperature, which can be performed conventionally.
상기 등방적 가압 성형 처리 시 가압하는 압력은, 탭 밀도가 1.19 g/㎤ 이상이고, 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 입자 형상으로서 입자의 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율이 68% 이상인 특징을 갖는 구형화 천연흑연 음극 활물질을 얻을 수 있으며, 상기 구형화 천연흑연 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극에서 상기 구형화 천연 흑연의 배향 지수가 1.6 g/㎤ 의 전극 밀도로 제조된 전극에서 0.08 이상이 가능한 조건이 바람직하다. The pressure applied during the above isotropic pressing molding process is preferably such that a spherical natural graphite negative electrode active material can be obtained having a tap density of 1.19 g/cm3 or higher, a particle shape having a concave/convex surface morphology, and a particle number percentage of 68% or higher having a circularity of 0.95 or lower, and in an electrode manufactured using the spherical natural graphite negative electrode active material, an orientation index of the spherical natural graphite is 0.08 or higher in an electrode manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3.
상기 개질 처리 후 등방적 가압 성형 처리된 구형화 천연흑연 입자 표면에 비정질 또는 준결정질 탄소가 코팅된 음극 활물질의 경우, 상기 음극 활물질을 사용하여 1.6 g/㎤ 의 전극 밀도로 제조된 상기 구형화 천연 흑연의 배향 지수는 0.25 이상이 가능한 조건이 바람직하다.In the case of a negative electrode active material having an amorphous or semi-crystalline carbon coated on the surface of spherical natural graphite particles isotropically pressurized after the above modification treatment, it is preferable that the orientation index of the spherical natural graphite manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3 using the above negative electrode active material be 0.25 or more.
상기 구형화 천연 흑연은 인편상 천연흑연 입자들이 기계적 에너지를 이용하여 물리적으로 조립화가 이루어지기 때문에 조립된 상태 (예를 들면, 입경, 입자 강도, 밀도 등)가 균일하지 않을 수 있다. 이에, 상기 등방적 가압 성형 처리 시 가압하는 압력의 어느 기준이상의 가압 조건에서는, 각각의 상기 구형화 천연 흑연 조립 입자의 기계적 또는 물리적인 변형의 정도가 달라 구형의 입자 형태가 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 가지며 입자의 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율이 68% 이상인 입자 형상이 얻어질 수 있을 것이다. 그러나 상기 가압하는 압력의 상한 기준은 특별히 한정되지 않는다.The above spherical natural graphite may not have a uniform assembled state (e.g., particle size, particle strength, density, etc.) because the flake-shaped natural graphite particles are physically assembled using mechanical energy. Accordingly, under a pressing condition exceeding a certain standard of pressing pressure during the isotropic pressing molding process, the degree of mechanical or physical deformation of each of the spherical natural graphite assembled particles may be different, so that a particle shape having a concave/convex surface morphology of a spherical particle shape and a particle circularity of 0.95 or less in which the percentage of the number of particles is 68% or more may be obtained. However, the upper limit of the pressing pressure is not particularly limited.
상기 구형화 천연흑연 입자의 평균입경(D50)은 10 내지 20㎛ 일 수 있고, 구체적으로는 12 내지 18㎛ 일 수 있다.The average particle diameter (D50) of the above spherical natural graphite particles may be 10 to 20 μm, and specifically, 12 to 18 μm.
상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법 단계 (e)에서, 상기 개질 처리후 가압 성형 처리된 구형화 천연흑연 입자 표면에 비정질 및/또는 준결정질 탄소 전구체를 코팅하고 열처리하여 비정질 또는 준결정질 탄소 코팅층을 형성함에 있어서, 상기 비정질 또는 준결정질 탄소전구체는 구연산, 스티아르산, 수크로오스, 폴리불화비닐리덴, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히드록시프로필셀룰로오스, 재생셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 전분, 페놀 수지, 퓨란 수지, 퍼푸릴 알코올, 폴리아크릴산, 폴리아크릴나트륨, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 에폭시 수지, 셀룰로오스, 스티렌, 폴리비닐알코올, 폴리비닐클로라이드, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이스피치, 저분자량 중질유, 글루코오스, 젤라틴, 당류 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다만 본 발명이 상기 탄소 전구체의 종류에 한정되는 것은 아니다. In step (e) of the method for manufacturing the negative active material for the lithium secondary battery, in coating an amorphous and/or semi-crystalline carbon precursor on the surface of the spherical natural graphite particles that have been subjected to the pressure molding treatment after the modification treatment and heat-treating them to form an amorphous or semi-crystalline carbon coating layer, the amorphous or semi-crystalline carbon precursor is selected from the group consisting of citric acid, stearic acid, sucrose, polyvinylidene fluoride, carboxymethyl cellulose (CMC), hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), sulfonated EPDM, starch, phenol resin, furan resin, furfuryl alcohol, polyacrylic acid, sodium polyacrylate, polyacrylonitrile, polyimide, epoxy resin, cellulose, styrene, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, coal pitch, petroleum pitch, It may include mesophase pitch, low molecular weight heavy oil, glucose, gelatin, saccharides or a combination thereof. However, the present invention is not limited to the type of the carbon precursor.
상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법 단계 (e)에서, 상기 비정질 및 준결정질 탄소전구체 코팅은 습식 및 건식 방법으로 수행될 수 있다.In step (e) of the method for manufacturing the negative electrode active material for the lithium secondary battery, the amorphous and semi-crystalline carbon precursor coating can be performed by a wet or dry method.
상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법 단계 (e)에서, 상기 열처리는 질소, 아르곤, 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 분위기, 또는 진공 하에서 수행될 수 있다. In step (e) of the method for manufacturing the negative electrode active material for the above lithium secondary battery, the heat treatment can be performed in an atmosphere containing nitrogen, argon, or a mixed gas thereof, or under vacuum.
상기 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법 단계 (e)에서, 상기 열처리 온도는 800 내지 1200℃, 바람직하게는 800 내지 1000℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 범위의 온도에서 열처리를 수행할 경우 상기 비정질 및/또는 준결정질 탄소전구체의 탄화 공정 동안 불순물에 해당하는 이종 원소를 충분히 제거할 수 있고, 이에 따라 비가역 용량이 감소되며, 상기 구형화 천연 흑연의 상기 인편상 흑연의 표면 개질 상태가 잘 유지될 수 있어 음극 활물질로서의 충·방전 특성이 우수하다.In step (e) of the method for manufacturing the negative active material for the lithium secondary battery, the heat treatment temperature may be performed at a temperature of 800 to 1200°C, preferably 800 to 1000°C. When the heat treatment is performed at a temperature in the above range, foreign elements corresponding to impurities can be sufficiently removed during the carbonization process of the amorphous and/or semi-crystalline carbon precursor, thereby reducing the irreversible capacity, and the surface modification state of the flaky graphite of the spherical natural graphite can be well maintained, so that the charge/discharge characteristics as the negative active material are excellent.
한편, 상기 비정질 및/또는 준결정질 탄소 코팅의 총량은 상기 음극 활물질의 총량에 대하여 0.1 내지 10 중량%로 포함될 수 있고, 보다 바람직하게는 0.1 내지 5 중량 %일 수 있다. 상기 비정질 및 준 결정질 탄소가 상기 범위내로 포함될 경우 상기 비정질 및/또는 준결정질 탄소에 의한 코팅이 효과적으로 이루어져 음극 활물질로서 우수한 특성을 나타낼 수 있다. Meanwhile, the total amount of the amorphous and/or semi-crystalline carbon coating may be included in an amount of 0.1 to 10 wt%, and more preferably 0.1 to 5 wt%, based on the total amount of the negative active material. When the amorphous and/or semi-crystalline carbon is included within the above range, the coating by the amorphous and/or semi-crystalline carbon is effectively formed, and thus the negative active material may exhibit excellent characteristics.
본 발명의 일 실시예에 따르는 음극 활물질을 사용하여 전극을 제조할 경우, 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 형상으로 입자의 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율이 68% 이상인 입자를 사용함으로써, 1.6 g/㎤ 이상의 전극 밀도에서도 상기 음극 활물질의 형상을 유지할 수 있고, 상기 음극 활물질 입자들 사이에 미세 공간(pore)이 효과적으로 형성되어 상기 미세 공간을 통해 전해액의 함침이 용이하며, 활물질 입자간에 접촉 면적이 증가하여 전극 내부 저항이 감소하여 고율 충·방전 특성이 향상 될 수 있다. When manufacturing an electrode using the negative active material according to one embodiment of the present invention, by using particles having a circularity of 0.95 or less and a shape having a concave/convex surface morphology and having a number percentage of 68% or more, the shape of the negative active material can be maintained even at an electrode density of 1.6 g/cm3 or more, micro-spaces (pores) are effectively formed between the negative active material particles, so that impregnation of an electrolyte is easy through the micro-spaces, and the contact area between the active material particles increases, so that the internal resistance of the electrode decreases, so that high-rate charge/discharge characteristics can be improved.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구형 천연 흑연 입자의 표면 또는 내부를 구성하는 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 전부 또는 적어도 일부 입자의 가장자리 면이 상기 인 화합물을 통해 개질됨으로써, 고온에서의 반복적인 충·방전 시에도 상기 인편상 흑연의 가장 자리면 구조의 변화가 적고 전해액과의 부반응을 최소화하여 사이클 동안의 충·방전 효율이 향상 될 수 있다. Furthermore, according to one embodiment of the present invention, since the edge surfaces of all or at least some of the flake-shaped natural graphite particles constituting the surface or interior of the spherical natural graphite particles are modified by the phosphorus compound, even when repeatedly charged and discharged at high temperatures, the change in the edge surface structure of the flake-shaped graphite is small, and side reactions with the electrolyte are minimized, so that the charge and discharge efficiency during the cycle can be improved.
따라서, 본 발명에 따른 음극 활물질은 고율 충·방전 특성 향상과 함께 고온에서의 우수한 사이클 특성 및 안정성의 향상이 동시에 이루어 질 수 있다. Therefore, the negative active material according to the present invention can simultaneously achieve improved high-rate charge/discharge characteristics, excellent cycle characteristics at high temperatures, and improved stability.
만일, 구형화 천연 흑연 표면에 비정질 탄소 코팅층을 형성하거나 혹은 구형화 천연 흑연 입자의 표면 또는 내부를 구성하는 인편상 천연흑연 절편 입자의 가장자리 면을 개질, 또는 고 밀도화하는 등의 기존 방법으로는 본 발명에서 의도하는 상기 특성 향상이 충분히 이루어 질 수 없다.The improvement of the properties intended in the present invention cannot be sufficiently achieved by existing methods such as forming an amorphous carbon coating layer on the surface of spherical natural graphite, or modifying or densifying the edge surface of the flaky natural graphite fragment particles constituting the surface or interior of the spherical natural graphite particles.
나아가, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 음극 활물질을 포함하는 음극, 양극 및 전해액을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.Furthermore, in another aspect of the present invention, the present invention provides a lithium secondary battery including a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte including the negative electrode active material.
리튬 이차전지는 사용하는 세퍼레이터와 전해액의 종류에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류될 수 있고, 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 등으로 분류될 수 있으며, 사이즈에 따라 벌크 타입과 박막 타입으로 나눌 수 있다. 이들 전지의 구조와 제조방법은 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.Lithium secondary batteries can be classified into lithium ion batteries, lithium ion polymer batteries, and lithium polymer batteries depending on the type of separator and electrolyte used, and can be classified into cylindrical, square, coin, and pouch types depending on the shape, and can be divided into bulk type and thin film type depending on the size. The structure and manufacturing method of these batteries are widely known in this field, so a detailed description is omitted.
상기 음극은 전술한 음극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 혼합하여 음극 활물질층 형성용 조성물을 제조한 후, 음극 집전체에 도포하여 제조될 수 있으며, 이들 음극 구성에 대해서는 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.The above negative electrode can be manufactured by mixing the above-described negative electrode active material, binder, and optionally a conductive material to manufacture a composition for forming a negative electrode active material layer, and then applying the mixture to a negative electrode current collector. Since the composition of these negative electrodes is widely known in the art, a detailed description thereof will be omitted.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. Hereinafter, in order to specifically explain this specification, examples will be given and described in detail. However, the embodiments according to this specification may be modified in various different forms, and the scope of this specification is not construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of this specification are provided to more completely explain this specification to a person having average knowledge in the art.
실시예 1Example 1
평균입경(D50)이 16㎛인 구형화 천연흑연 입자((주)포스코케미칼 제공) 100 중량부 및 인산트리크레실(TCP,tricresyl phosphate) 0.1 중량부를 에탄올에 넣어 30분 교반 후 건조하였으며 이어서 800℃에서 30분 동안 질소 분위기에서 열처리하여 구형화 천연흑연 개질 입자를 얻었다. 얻어진 구형화 천연흑연 개질 입자를 냉간 정수압 장치에 장입하고 400MPa 수준의 압력으로 등방압 성형 후 성형체를 해쇄하여 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제조하였다.100 parts by weight of spherical natural graphite particles having an average particle diameter (D50) of 16 μm (provided by POSCO Chemical Co., Ltd.) and 0.1 part by weight of tricresyl phosphate (TCP) were added to ethanol, stirred for 30 minutes, dried, and then heat-treated in a nitrogen atmosphere at 800°C for 30 minutes to obtain spherical natural graphite-modified particles. The obtained spherical natural graphite-modified particles were charged into a cold isostatic pressing device, isostatically pressed at a pressure of about 400 MPa, and then the molded body was pulverized to manufacture an anode active material for a lithium secondary battery.
실시예 2Example 2
500MPa 수준의 압력으로 등방압 성형을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제조하였다. A negative active material for a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that isotropic pressing was performed at a pressure of 500 MPa.
실시예 3Example 3
실시예 1과 동일한 방법으로 얻어진 개질 및 등방압 처리된 구형화 천연흑연 입자에 대해 탄화 후 5 중량% 잔탄량 기준으로 석유계 피치를 상기 개질 및 등방압 처리된 구형화 천연흑연 입자 표면에 코팅한 후 1000℃에서 1시간 동안 질소 분위기에서 열처리한 후 노냉하여 비정질 및 준결정질 탄소가 코팅된 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제조하였다. In the same manner as in Example 1, spherical natural graphite particles were obtained, modified and isostatically pressed, and petroleum pitch was coated on the surface of the modified and isostatically pressed spherical natural graphite particles based on 5 wt% residual carbon after carbonization, and then heat-treated at 1000°C for 1 hour in a nitrogen atmosphere and then cooled to manufacture a negative electrode active material for a lithium secondary battery coated with amorphous and semi-crystalline carbon.
실시예 4Example 4
실시예 2와 동일한 방법으로 얻어진 개질 및 등방압 처리된 구형화 천연흑연 입자에 대해 실시예 3과 동일한 방법으로 비정질 및 준결정질 탄소가 코팅된 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제조하였다. A negative electrode active material for a lithium secondary battery coated with amorphous and semi-crystalline carbon was manufactured using the same method as in Example 3 for the modified and isotropically pressurized spherical natural graphite particles obtained in the same manner as in Example 2.
비교예 1Comparative Example 1
평균입경(D50)이 16㎛인 구형화 천연흑연 입자 표면에 비정질 탄소가 코팅(탄화 후 5 중량% 잔탄량 기준)된 것을 음극 활물질로서 사용하였다.Amorphous carbon was coated on the surface of spherical natural graphite particles with an average particle diameter (D50) of 16 ㎛ (based on 5 wt% residual carbon after carbonization) and used as a negative electrode active material.
비교예 2Comparative Example 2
평균입경(D50)이 16㎛인 구형화 천연흑연 입자 100 중량부 및 인산트리크레실(TCP,tricresyl phosphate) 0.1 중량부를 에탄올에 넣어 30분 교반 후 건조하였으며 이어서 800℃에서 30분 동안 질소 분위기에서 열처리하여 구형화 천연흑연 개질 입자를 얻었다. 100 parts by weight of spherical natural graphite particles having an average particle diameter (D50) of 16 ㎛ and 0.1 part by weight of tricresyl phosphate (TCP) were added to ethanol, stirred for 30 minutes, dried, and then heat-treated at 800°C for 30 minutes in a nitrogen atmosphere to obtain spherical natural graphite-modified particles.
비교예 3Comparative Example 3
비정질 탄소가 코팅되지 않은 평균입경(D50)이 16㎛인 구형화 천연흑연 입자 인 음극활물질이다.The negative electrode active material is a spherical natural graphite particle with an average particle diameter (D50) of 16㎛ that is not coated with amorphous carbon.
비교예 4Comparative Example 4
50MPa 수준의 압력으로 등방압 성형을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제조하였다. A negative active material for a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that isotropic pressing was performed at a pressure of 50 MPa.
비교예 5Comparative Example 5
비교예 3의 구형화 천연흑연 입자를 냉간 정수압 장치에 장입하고 500MPa 수준의 압력으로 등방압 성형 후 성형체를 해쇄하여 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제조하였다.The spherical natural graphite particles of Comparative Example 3 were placed in a cold isostatic pressing device, isostatically pressed at a pressure of about 500 MPa, and the molded body was pulverized to manufacture a negative active material for a lithium secondary battery.
비교예 6Comparative Example 6
비교예 5와 동일한 방법으로 얻어진 구형화 천연흑연 입자에 대해 탄화 후 5 중량% 잔탄량 기준으로 석유계 피치를 상기 개질 및 등방압 처리된 구형화 천연흑연 입자 표면에 코팅한 후 1200℃에서 1시간 동안 질소 분위기에서 열처리한 후 노냉하여 비정질 및 준결정질 탄소가 코팅된 리튬 이차전지용 음극 활물질을 제조하였다. For spherical natural graphite particles obtained in the same manner as Comparative Example 5, petroleum pitch was coated on the surface of the modified and isotropically pressurized spherical natural graphite particles based on 5 wt% residual carbon after carbonization, and then heat-treated at 1200°C for 1 hour in a nitrogen atmosphere and then cooled to manufacture a negative electrode active material for a lithium secondary battery coated with amorphous and semi-crystalline carbon.
비교예 7Comparative Example 7
평균입경(D50)이 20㎛인 인조흑연 (Jiangxi Zichen Technology Co., Ltd.) 표면에 석유계 피치를 코팅한 후 (탄화 후 잔탄량: 음극활물질 대비 5 중량%). After coating the surface of artificial graphite (Jiangxi Zichen Technology Co., Ltd.) having an average particle size (D50) of 20㎛ with petroleum pitch (residual carbon content after carbonization: 5 wt% relative to the negative electrode active material).
이어서 1200℃에서 1 시간 동안 질소 분위기에서 열처리하여 음극활물질을 제조하였다.Subsequently, the negative electrode active material was manufactured by heat treatment in a nitrogen atmosphere at 1200°C for 1 hour.
실험예 1Experimental Example 1
고배향성 열분해 흑연(Highly oriented pyrolytic graphite) 샘플과 상기 고배향성 열분해 흑연대비 5중량% 인산트리크레실(TCP,tricresyl phosphate)을 에탄올에 첨가하고 상온에서 30분 동안 교반 후 건조하였고, 이어서 공기(Air) 분위기에서 300℃ 및 400℃에서 1시간 동안 열처리하였다. A highly oriented pyrolytic graphite sample and 5 wt% of tricresyl phosphate (TCP) based on the highly oriented pyrolytic graphite were added to ethanol, stirred at room temperature for 30 minutes, dried, and then heat-treated at 300°C and 400°C for 1 hour in an air atmosphere.
도 2는 실험예 1에 따라 제조된 고배향성 열분해 흑연의 X-선 광전자 분광법(XPS, X-ray photoelectron spectroscopy)분석 결과로서, 상기 고배향성 열분해 흑연(Highly oriented pyrolytic graphite) 샘플에 인산트리크레실(TCP,tricresyl phosphate)을 흡착시킨 후 공기(Air)분위기하에서 300℃ 및 400℃에서 1시간 동안 열처리하였을 때 도 2a에 나타낸 바와 같이 가장자리면(Edge plane)에서는 P원소와 관련된 결합이 형성되었으나 기저면(Basal plane)에서는 상기 P원소와 관련된 결합이 형성되지 않았음을 보여준다 (도 2b). 이로써, 본 발명의 상기 인 화합물이 인조흑연의 가장자리면에 선택적으로 흡착됨을 알 수 있으며, 건조 후 가장자리면에 흡착된 인 화합물은 후속 열처리 온도가 증가할수록 상기 인 화합물이 분해되어 P 원소와 관련된 결합이 감소하고 있음을 알 수 있다. 상기 흑연표면의 가장자리면에 위치하는 상기 P원소는 C-P-O 또는 C-O-P 결합을 형성하는 것으로 나타난다.FIG. 2 shows the results of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of highly oriented pyrolytic graphite manufactured according to Experimental Example 1. When the highly oriented pyrolytic graphite sample was subjected to adsorption of tricresyl phosphate (TCP) and then heat-treated at 300° C. and 400° C. for 1 hour in an air atmosphere, as shown in FIG. 2a, a bond related to the P element was formed at the edge plane, but no bond related to the P element was formed at the basal plane (FIG. 2b). Accordingly, it can be seen that the phosphorus compound of the present invention is selectively adsorbed at the edge plane of the artificial graphite, and it can be seen that the phosphorus compound adsorbed at the edge plane after drying is decomposed as the subsequent heat treatment temperature increases, thereby decreasing the bond related to the P element. The P element located at the edge of the graphite surface appears to form a C-P-O or C-O-P bond.
실험예 2Experimental example 2
고배향성 열분해 흑연(Highly oriented pyrolytic graphite) 샘플과 상기 고배향성 열분해 흑연대비 0.5중량% 인산트리크레실(TCP,tricresyl phosphate)을 에탄올에 첨가하고 상온에서 30분 동안 교반 후 건조하였고, 이어서 질소 분위기 800℃ 에서 0.5시간 동안 열처리하였다. A highly oriented pyrolytic graphite sample and 0.5 wt% of tricresyl phosphate (TCP) relative to the highly oriented pyrolytic graphite were added to ethanol, stirred at room temperature for 30 minutes, dried, and then heat-treated at 800°C for 0.5 hour in a nitrogen atmosphere.
도 3은 실험예 2에 따라 제조된 고배향성 열분해 흑연의 X-선 광전자 분광법(XPS, X-ray photoelectron spectroscopy)분석 결과로서 P2p 피크를 보여준다. 상기 고배향성 열분해 흑연(Highly oriented pyrolytic graphite) 샘플에 인산트리크레실(TCP,tricresyl phosphate)을 흡착시킨 후 질소 분위기하에서 800℃ 에서 0.5시간 동안 열처리하였을 때, 도 3a에 나타낸 바와 같이 가장자리면(Edge plane)에서는 P원소와 관련된 결합이 형성되었으나 기저면(Basal plane)에서는 상기 P원소와 관련된 결합이 형성되지 않았음을 보여준다 (도 3b). 이는 실험예 1에 따라 제조된 고배향성 열분해 흑연의 결과와 일치하는 것으로 나타난다. Figure 3 shows the P2p peak as a result of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of the highly oriented pyrolytic graphite manufactured according to Experimental Example 2. When the highly oriented pyrolytic graphite sample was heat-treated at 800°C for 0.5 hour under a nitrogen atmosphere after tricresyl phosphate (TCP) was adsorbed onto it, as shown in Figure 3a, a bond related to the P element was formed at the edge plane, but no bond related to the P element was formed at the basal plane (Figure 3b). This is consistent with the results of the highly oriented pyrolytic graphite manufactured according to Experimental Example 1.
이로써, 본 발명의 상기 인 화합물이 상기 고배향성 열분해 흑연의 가장자리면에 선택적으로 흡착됨을 알 수 있으며, 건조 후 가장자리면에 흡착된 인 화합물은 후속 열처리 동안 상기 인 화합물이 분해를 통해 상기 고배향성 열분해 흑연 표면의 가장자리면에 위치하는 상기 P원소는 C-P-O 또는 C-O-P 결합을 형성하는 것으로 나타난다.Accordingly, it can be seen that the phosphorus compound of the present invention is selectively adsorbed to the edge surface of the highly oriented pyrolytic graphite, and the phosphorus compound adsorbed to the edge surface after drying appears to form a C-P-O or C-O-P bond with the P element located on the edge surface of the highly oriented pyrolytic graphite surface through decomposition of the phosphorus compound during subsequent heat treatment.
주사전자현미경 (SEM) 사진 분석Scanning electron microscope (SEM) photo analysis
도 4a 및 도 4b는 비교예 2에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 5a 및 도 5b는 비교예 3에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.FIGS. 4a and 4b are scanning electron microscope (SEM) images of a negative electrode active material according to Comparative Example 2, and FIGS. 5a and 5b are scanning electron microscope (SEM) images of a negative electrode active material according to Comparative Example 3.
도 4 내지 도 5의 SEM 사진을 참고하면, 상기 인 화합물을 사용하여 상기 구형화 천연 흑연 입자 표면을 구성하는 인편상 천연흑연 절편 입자들뿐만 아니라 상기 구형화 천연 흑연 입자 내부에 존재하는 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 적어도 일부 입자들 가장자리 면을 선택적으로 개질한 결과, 표면 개질하지 않은 원래 샘플(pristine sample)인 비교예 3과 거의 유사한 표면 morphology를 보여준다. Referring to the SEM photographs of FIGS. 4 and 5, the surface morphology of at least some of the flaky natural graphite fragment particles forming the surface of the spherical natural graphite particles as well as the edge surfaces of the flaky natural graphite fragment particles existing inside the spherical natural graphite particles was selectively modified using the above-mentioned compound, which is almost similar to that of Comparative Example 3, which is the original sample (pristine sample) without surface modification.
특히, 도 5b의 비교예 3에 대한 확대 SEM 이미지에서 나타난 바와 같이 pristine 샘플로서 구형화 천연 흑연 입자는 인편상 천연흑연 분말 간의 충돌에 의한 분쇄와 분말들 간의 마찰가공, 전단응력에 의한 분말의 전단가공 등을 통해 인편상 천연흑연 입자들이 기계적 에너지를 이용하여 물리적으로 조립화가 이루어져 상기 구형화 천연 흑연 입자를 구성하는 상기 인편상 천연흑연 절편 입자들 사이에 미세한 틈새가 존재한다. 이로써, 분자량이 작은 인 화합물의 경우, 분자량이 매우 작아 개질 공정으로서 상기 인 화합물의 흡착 과정 동안에 상기 구형화 천연 흑연 입자를 구성하는 상기 인편상 천연흑연 절편 입자들 사이에 미세한 틈새로 상기 인 화합물을 포함하는 용액이 유입되어 상기 구형화 천연 흑연 입자 표면 및 내부에 존재하는 인편상 천연흑연 절편 입자들 각각의 가장자리 면에 선택적으로 상기 인 화합물이 흡착될 수 있음을 알 수 있다.In particular, as shown in the enlarged SEM image for Comparative Example 3 of FIG. 5b, the spherical natural graphite particles as a pristine sample are physically assembled by using mechanical energy through pulverization by collision between flaky natural graphite powders, friction processing between powders, shearing processing of powders by shear stress, etc., so that fine gaps exist between the flaky natural graphite fragment particles constituting the spherical natural graphite particles. Accordingly, in the case of a phosphorus compound with a small molecular weight, since the molecular weight is very small, a solution including the phosphorus compound may flow into the fine gaps between the flaky natural graphite fragment particles constituting the spherical natural graphite particles during the adsorption process of the phosphorus compound as a modification process, so that the phosphorus compound may be selectively adsorbed onto the surface and edge surfaces of each of the flaky natural graphite fragment particles present inside the spherical natural graphite particles.
도 6 과 7은 각각 실시예 1 과 실시예 2에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.Figures 6 and 7 are scanning electron microscope (SEM) images of the negative active materials according to Examples 1 and 2, respectively.
도 6a 및 도 7a 의 SEM 사진을 참고하면, 매끈한 표면의 구형의 형상을 보여주는 상기 도 4a (비교예 2) 및 도 5a (비교예 3)와 달리, 실시예 1 과 실시예 2에 따른 음극 활물질은 상기 구형화 천연 흑연 입자에 대한 등방적 가압 처리 후 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 형상을 나타낸다.Referring to the SEM images of FIGS. 6a and 7a, unlike FIG. 4a (Comparative Example 2) and FIG. 5a (Comparative Example 3) which show a spherical shape with a smooth surface, the negative active materials according to Examples 1 and 2 show a shape with a concave/convex surface morphology after the isotropic pressing treatment on the spherical natural graphite particles.
또한, 도 6b 및 도 7b 의 SEM 사진을 참고하면, 구형화 천연 흑연 입자의 표면에 있어 구형화 천연 흑연 입자를 구성하는 상기 인편상 천연흑연 절편 입자들 사이에 미세한 틈새가 존재하는 상기 도 4b (비교예 2) 내지 도 5b (비교예 3)와 달리, 실시예 1 과 실시예 2에 따른 음극 활물질은 입자의 표면에 있어 상기 입자를 구성하는 상기 인편상 천연흑연 절편 입자들 사이에 미세한 틈새가 거의 닫혀있는 것을 확인 할 수 있다.In addition, referring to the SEM images of FIGS. 6b and 7b, unlike FIGS. 4b (Comparative Example 2) to 5b (Comparative Example 3) in which fine gaps exist between the flaky natural graphite fragment particles constituting the spherical natural graphite particles on the surface of the spherical natural graphite particles, it can be confirmed that in the negative active materials according to Examples 1 and 2, the fine gaps between the flaky natural graphite fragment particles constituting the particles on the surface of the particles are almost closed.
도 8 과 9는 각각 실시예 3과 실시예 4에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.Figures 8 and 9 are scanning electron microscope (SEM) images of the negative active materials according to Examples 3 and 4, respectively.
도 8 내지 도 9의 SEM 사진을 참고하면, 실시예 1 과 실시예 2에 따른 음극 활물질의 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 입자 형상은 비정질 또는 준 결정질 탄소 코팅 후에도 유지되는 것으로 나타난다.Referring to the SEM photographs of FIGS. 8 and 9, the particle shape having a concave/convex surface morphology of the negative active materials according to Examples 1 and 2 appears to be maintained even after amorphous or quasi-crystalline carbon coating.
도 10은 비교예 1 에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.Figure 10 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the negative active material according to Comparative Example 1.
비교예 3 (도 5)의 음극 활물질에 비정질 또는 준 결정질 탄소가 코팅된 비교예 1 (도 10)의 경우 매끈한 표면을 갖는 구형의 형상을 나타낸다.In the case of Comparative Example 1 (Fig. 10), where amorphous or quasi-crystalline carbon is coated on the negative active material of Comparative Example 3 (Fig. 5), a spherical shape with a smooth surface is exhibited.
도 11은 비교예 4에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.Figure 11 is a scanning electron microscope (SEM) image of the negative active material according to Comparative Example 4.
도 11을 참고하면, 등방적 가압 처리에 의해 탭밀도가 1.176 (표 1 참조)으로 비교예 1 및 2에 비해 증가하였음에도 불구하고 거의 구형의 형상을 유지하고 있으며, 실시예 1 과 실시예 2에 따른 음극 활물질 (도 6 와 7)과 달리 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)가 충분히 형성 되지 않았음을 확인할 수 있다. Referring to Fig. 11, it can be confirmed that although the tap density increased to 1.176 (see Table 1) by isotropic pressing compared to Comparative Examples 1 and 2, it maintains an almost spherical shape, and unlike the negative active materials according to Examples 1 and 2 (Figs. 6 and 7), a concave/convex surface morphology was not sufficiently formed.
도 12 및 도 13은 비교예 5 및 비교예 6에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 도 7 및 도 9와 유사하게 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 입자 형상을 나타낸다.Figures 12 and 13 are scanning electron microscope (SEM) images of the negative active materials according to Comparative Examples 5 and 6. Similar to Figures 7 and 9, they show particle shapes having concave/convex surface morphologies.
이로부터 상기 실시예 1 과 실시예 2에 따른 음극 활물질 (도 6 과 7)의 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 입자 형상을 갖기 위해서는, 등방적 가압 처리 시 특정 기준 이상의 탭밀도를 나타낼 수 있는 가압 성형 과정이 필요함을 나타낸다. From this, it is shown that in order to have a particle shape with a concave/convex surface morphology of the negative active material according to Examples 1 and 2 (FIGS. 6 and 7), a press molding process capable of exhibiting a tap density higher than a certain standard during isotropic pressurization is necessary.
실시예 2 및 실시예 4 와 비교예 1, 2 및 비교예 4에 따라 1.6 g/㎤ 의 전극 밀도로 제조된 음극 표면의 주사전자현미경(SEM) 사진을 도 14 내지 18에 나타내었다.Scanning electron microscope (SEM) images of the surface of the cathode manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3 according to Examples 2 and 4 and Comparative Examples 1, 2, and Comparative Example 4 are shown in FIGS. 14 to 18.
도 14 와 도 15는 각각 실시예 2 와 실시예 4에 따라 제조된 음극 표면의 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 16 내지 도 18은 각각 비교예 1, 2 및 비교예 4에 따라 제조된 음극 표면의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.FIGS. 14 and 15 are scanning electron microscope (SEM) images of the surfaces of cathodes manufactured according to Examples 2 and 4, respectively, and FIGS. 16 to 18 are scanning electron microscope (SEM) images of the surfaces of cathodes manufactured according to Comparative Examples 1 and 2, and Comparative Example 4, respectively.
도 16 내지 도 18을 참고하면, 구형화 천연 흑연에 대해 표면 개질 처리한 경우 (도 17) 전극 제조 시 압착 공정으로 인하여 구형화 천연 흑연 입자의 눌림 현상이 심하게 나타나며, 구형화 천연 흑연에 대해 비정질 또는 준 결정질 탄소가 코팅된 경우 (도 16) 및 구형화 천연 흑연에 대해 상기 표면 개질 처리 후 50 MPa 수준의 압력으로 등방적 가압처리를 수행한 경우 (도 18) 모두에 있어 전극 제조시 압착 공정으로 인한 구형화 천연 흑연 입자의 눌림 현상이 나타난다. Referring to FIGS. 16 to 18, in the case of surface modification of spheroidized natural graphite (FIG. 17), the spheroidized natural graphite particles are seriously pressed due to the pressing process during electrode manufacturing, and in both the case of coating amorphous or semi-crystalline carbon on spheroidized natural graphite (FIG. 16) and the case of performing isotropic pressing at a pressure of about 50 MPa on spheroidized natural graphite after surface modification (FIG. 18), the spheroidized natural graphite particles are pressed due to the pressing process during electrode manufacturing.
도 14 및 도 15를 참고하면, 실시예 2 및 실시예 4에 따라 제조된 음극에서 입자 눌림 현상이 크게 개선되는 것으로 나타난다. Referring to FIGS. 14 and 15, it can be seen that the particle crushing phenomenon is significantly improved in the cathodes manufactured according to Examples 2 and 4.
도 19는 비교예 7에 따른 음극 활물질의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. Figure 19 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the negative active material according to Comparative Example 7.
도 19를 참고하면 상용 인조 흑연의 경우 작은 인조 흑연 입자들이 조립된 무정형의 형상을 나타낸다.Referring to Figure 19, commercial artificial graphite shows an amorphous shape in which small artificial graphite particles are assembled.
원형도(circularlity) 측정Circularity measurement
Malvern panalytical사의 자동 이미징 시스템 기기인 Morphologi 4를 사용하여 측정하였다. 시트 위에 입자를 균일하게 분산 배열시킨 후 시트 바로 위에서 촬영하고 화상을 분석하였다. 입자의 원형도는 관찰 방향에 따라 다를 수 있다. 본 실험 예에서는 입자 10,000개를 대상으로 측정하였다. The measurements were made using the Morphologi 4, an automatic imaging system from Malvern Panalytical. The particles were evenly dispersed and arranged on the sheet, and then the images were taken directly above the sheet and analyzed. The circularity of the particles may vary depending on the observation direction. In this experimental example, 10,000 particles were measured.
실시예 1 및 2 와 비교예 3 및 4에 따른 음극 활물질에 대한 원형도를 측정하였고, 도 20은 실시예 2 와 비교예 3에 따른 음극 활물질에 대한 원형도 분포 곡선을 비교한 그림이다. 도 20을 참고하면, 등방적 가압 성형과정에 따른 형상 변화로 인해 전체적으로 원형도가 낮아짐을 확인할 수 있다. The circularity of the negative active materials according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 3 and 4 was measured, and Fig. 20 is a drawing comparing the circularity distribution curves for the negative active materials according to Example 2 and Comparative Example 3. Referring to Fig. 20, it can be confirmed that the circularity is lowered overall due to shape change according to the isotropic pressing molding process.
동일한 방식으로 조사된 원형도 분포 결과로부터, 실시예 1 및 2 와 비교예 3 및 4에 따른 음극 활물질에 있어 입자의 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율을 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다. From the circularity distribution results investigated in the same manner, the percentage of particles having a circularity of 0.95 or less in the negative active materials according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 3 and 4 was measured. The results are shown in Table 1.
[표 1][Table 1]
탭 밀도 측정Tap Density Measurement
실시예 1 내지 4 및 비교예 1, 2, 4 및 5에 따라 얻어진 음극 활물질에 대한 탭 밀도를 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다. The tap density of the negative active materials obtained according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1, 2, 4, and 5 was measured. The results are shown in Table 2.
실시예 1 내지 4 에 따른 음극 활물질은 비교예 1, 2 및 4에 따라 얻어진 음극 활물질에 비해 탭 밀도가 크며, 1.19 g/cm3 이상의 값을 나타내었다. The negative active materials according to Examples 1 to 4 have a higher tap density than the negative active materials obtained according to Comparative Examples 1, 2 and 4, and are 1.19 g/cm 3 or more. The value is indicated.
한편, 실시예 2에서와 동일한 가압 성형 과정을 통해 제조된 비교예 5의 경우 실시예 2와 동일한 탭밀도를 나타내었다.Meanwhile, Comparative Example 5, which was manufactured through the same pressure molding process as Example 2, exhibited the same tap density as Example 2.
[표 2][Table 2]
배향 지수 측정Measuring the orientation index
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 및 2에 따라 얻어진 음극 활물질을 사용하여 1.6 g/㎤ 의 전극 밀도를 갖도록 제조된 전극에 대하여 XRD 분석 방법을 이용하여 배향 지수를 측정하였다. 그 결과를 표 3에 나타내었다. The orientation index of electrodes manufactured to have an electrode density of 1.6 g/cm3 using the negative active materials obtained according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 was measured using an XRD analysis method. The results are shown in Table 3.
배향 지수는 상기 전극에 포함된 구형화 천연 흑연 음극 활물질의 (110)면과 (004)면에 대한 각각의 X-선 회절 피크 (Cu Kα1-선)를 적분하여 얻어진 면적비((110)/(004))로 계산하였다. The orientation index was calculated as the area ratio ((110)/(004)) obtained by integrating the X-ray diffraction peaks (Cu Kα1-line) for the (110) plane and (004) plane of the spherical natural graphite negative active material included in the above electrode.
상기 배향 지수 측정을 위한 전극은 상기 X-선 회절 피크의 중복을 배제하기 위해 각각의 음극 활물질을 CMC/SBR(카르복시메틸 셀룰로오스/스티렌-부타디엔러버)과 96:4의 중량비로 혼합된 슬러리를 알루미늄 호일 상에 코팅한 후, 건조 및 압착하여 각각의 전극을 제조하였다.To exclude overlapping of the X-ray diffraction peaks, the electrodes for the above orientation index measurement were prepared by coating a slurry containing each negative active material mixed with CMC/SBR (carboxymethyl cellulose/styrene-butadiene rubber) at a weight ratio of 96:4 on aluminum foil, followed by drying and pressing to produce each electrode.
실시예 1 및 실시예 2 에 따라 1.6 g/㎤ 의 전극 밀도로 제조된 음극에 있어 음극활물질의 배향 지수는 0.08 이상의 값을 나타내며, 반면에 비교예 2 및 4의 경우 0.08 이하의 값을 나타낸다.In the negative electrodes manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3 according to Examples 1 and 2, the orientation index of the negative electrode active material exhibits a value of 0.08 or more, whereas in Comparative Examples 2 and 4, it exhibits a value of 0.08 or less.
또한 상기 구형화 흑연 표면에 비정질 또는 준 결정질 탄소 코팅한 경우 상기 배향 지수는 증가하는 것으로 나타나며, 실시예 3 및 4의 경우 비교예 1에 비해 크게 나오며 0.28 이상의 값을 보여준다.In addition, when the surface of the above-mentioned spherical graphite is coated with amorphous or quasi-crystalline carbon, the orientation index is shown to increase, and in the case of Examples 3 and 4, it is significantly higher than that of Comparative Example 1 and shows a value of 0.28 or higher.
[표 3] [Table 3]
(테스트용 셀의 제조)(Manufacturing of test cells)
상기 실시예 1 내지 4 와 비교예 1 내지 6에 따른 음극 활물질을 CMC/SBR(카르복시메틸 셀룰로오스/스티렌-부타디엔러버)과 96:4의 중량비로 증류수에서 혼합하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 구리 호일 상에 코팅한 후, 건조 및 압착하여 각각의 음극을 5 ㎎/㎠의 로딩레벨(loading level)과 전극 밀도 1.6 g/㎤을 갖도록 제조하였다.The negative electrode active materials according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 6 were mixed with CMC/SBR (carboxymethyl cellulose/styrene-butadiene rubber) at a weight ratio of 96:4 in distilled water to prepare a negative electrode slurry. The negative electrode slurry was coated on copper foil, and then dried and pressed to prepare each negative electrode having a loading level of 5 mg/cm2 and an electrode density of 1.6 g/cm3.
상기 음극과 리튬 금속을 양극으로 하여, 음극과 양극 사이에 분리막인 셀가드를 개재하여 적층시켜 전극 조립체를 제조하였다. 이후 에틸렌 카보네이트(EC)와 에틸메틸 카보네이트(EMC)의 혼합 용매(EC:EMC = 2:8)에 1M의 LiPF6 을 용해시킨 전해액을 첨가하여 테스트용 셀 (2032 type coin cell)을 제작하였다.An electrode assembly was manufactured by laminating the negative electrode and lithium metal as the positive electrode, with Cellguard as a separator interposed between the negative electrode and the positive electrode. Afterwards, an electrolyte solution in which 1 M LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) (EC:EMC = 2:8) was added to manufacture a test cell (2032 type coin cell).
충·방전 사이클 특성 분석Charge/discharge cycle characteristics analysis
상기 제조된 테스트용 셀을 이용하여 다음과 같은 방법으로 45℃에서 충·방전 특성을 평가하였다. Using the test cell manufactured above, the charge/discharge characteristics were evaluated at 45°C by the following method.
충전 및 방전 사이클 특성 평가는 상온에서 3사이클 동안 화성(formation) 공정 진행 후 실시하였으며 충전은 0.5C rate에서 CC/CV mode로 행하였고 종지 전압은 0.005V로 유지하였으며, 방전은 0.5C rate에서 CC mode로 행하였고 종지 전압은 1.5V로 유지하였다.The evaluation of charge and discharge cycle characteristics was performed after the formation process for three cycles at room temperature. The charge was performed in CC/CV mode at 0.5C rate, and the terminal voltage was maintained at 0.005 V. The discharge was performed in CC mode at 0.5C rate, and the terminal voltage was maintained at 1.5 V.
도 21은 실시예 1 내지 4 와 비교예 1에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 45℃에서 충·방전 동안 사이클에 따른 쿨롱 효율 변화를 보여준다. Figure 21 shows the change in coulombic efficiency according to cycles during charge and discharge at 45°C of negative electrodes manufactured using negative electrode active materials according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1.
도 21을 참고하면, 실시예 1 내지 4에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극이 현재 상용 천연 흑연 음극 활물질로 사용되는 비교예 1에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극에 비해 사이클에 따른 쿨롱 효율이 높게 나타난다. Referring to FIG. 21, the negative electrodes manufactured using the negative electrode active materials according to Examples 1 to 4 exhibit higher Coulombic efficiency according to cycles than the negative electrodes manufactured using the negative electrode active material according to Comparative Example 1, which is currently used as a commercial natural graphite negative electrode active material.
45℃에서 충·방전 사이클이 진행되는 동안 쿨롱 효율이 낮다는 것은 음극 활물질과 전해액의 부반응에 기인하는 것으로, 고온 충·방전 사이클 동안 SEI 막이 서서히 붕괴됨으로써 노출된 음극활물질 표면, 특히 흑연 표면의 가장자리면과 전해액 용매가 반응하여 분해되는 부반응이 지속적으로 발생하게 되며, 이로인해 전극의 저항 증가와 함께, 전지 내부에 가스 발생을 초래하게 되며, 이러한 지속적인 기체 발생은 고온에서 리튬 이차 전지의 내부 압력을 상승시켜 전지 두께를 팽창시키는 원인이 된다.The low Coulombic efficiency during charge and discharge cycles at 45℃ is due to the side reaction between the negative electrode active material and the electrolyte. As the SEI film gradually collapses during the high-temperature charge and discharge cycle, the exposed negative electrode active material surface, especially the edge of the graphite surface, reacts and decomposes with the electrolyte solvent, causing continuous side reactions. This increases the resistance of the electrode and causes gas generation inside the battery. This continuous gas generation increases the internal pressure of the lithium secondary battery at high temperatures, causing the battery thickness to expand.
또한, 상대 전극으로 리튬금속을 사용하여 음극에 리튬 이온을 무한으로 공급할 수 있는 반쪽 셀(half cell)이 아닌 완전 셀(full cell)에 적용될 경우 전지 반응에 참여하는 리튬 이온 과 전해액이 점차 감소함에 따라 수명 특성이 열화되며, 상기 부반응에 따른 저항 증가로 출력 특성의 열화가 나타난다. In addition, when applied to a full cell rather than a half cell that can infinitely supply lithium ions to the cathode by using lithium metal as a counter electrode, the life characteristics deteriorate as the lithium ions and electrolyte participating in the battery reaction gradually decrease, and the output characteristics deteriorate due to the increase in resistance caused by the above-mentioned side reaction.
이로써, 고온에서의 충·방전 반응 동안, 사이클에 따른 쿨롱 효율은 음극 활물질의 고온에서의 안정성에 대한 주요 지표가 된다. Thus, during charge/discharge reactions at high temperatures, the Coulombic efficiency according to cycles becomes a key indicator of the high-temperature stability of the negative electrode active material.
이로부터, 본 발명의 실시예에 따른 음극 활물질은 현재 상용 음극 활물질로 일반적으로 사용되는 비교예 1에 따른 음극 활물질에 비해 고온에서의 안정성이 우수한 것으로 나타난다.From this, it is shown that the negative active material according to the embodiment of the present invention has superior stability at high temperatures compared to the negative active material according to Comparative Example 1, which is generally used as a commercial negative active material.
도 22는 실시예 2 와 비교예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 45℃에서 충·방전 동안 사이클에 따른 쿨롱 효율 변화를 보여준다. Figure 22 shows the change in coulombic efficiency according to cycles during charge and discharge at 45°C of negative electrodes manufactured using negative electrode active materials according to Example 2 and Comparative Example 2.
도 22를 참고하면, 실시예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극이 비교예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극에 비해 사이클에 따른 쿨롱 효율이 높게 나타난다. Referring to FIG. 22, the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Example 2 exhibits higher Coulombic efficiency according to cycles than the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Comparative Example 2.
실시예 2 와 비교예 2에 따른 음극 활물질에서 모두 구형화 천연흑연 입자 표면 및 내부를 구성하는 인편상 천연흑연 절편 입자들의 가장자리면의 표면이 인 화합물을 이용하여 동일하게 개질 처리되었지만, 실시예 2의 경우 상기 개질 처리 후 등방적 가압 처리로 인해 구형화 천연 흑연 입자의 표면에 있어 구형화 천연 흑연 입자를 구성하는 상기 인편상 천연흑연 절편 입자들 사이에 미세한 틈새가 거의 닫혀있어 (도 6b 및 도 7b 참조), 전해액과의 부반응이 더욱 억제되는 것으로 나타난다. In the negative active materials according to Example 2 and Comparative Example 2, the surfaces of the spherical natural graphite particles and the edges of the flaky natural graphite fragment particles constituting the interior were modified in the same manner using a phosphorus compound, but in the case of Example 2, due to the isotropic pressurization after the modification treatment, the fine gaps between the flaky natural graphite fragment particles constituting the spherical natural graphite particles on the surface of the spherical natural graphite particles were almost closed (see FIGS. 6b and 7b), indicating that side reactions with the electrolyte were further suppressed.
도 23은 실시예 2 와 비교예 4에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 45℃에서 충·방전 동안 사이클에 따른 쿨롱 효율 변화를 보여준다. Figure 23 shows the change in coulombic efficiency according to cycles during charge and discharge at 45°C of a negative electrode manufactured using a negative electrode active material according to Example 2 and Comparative Example 4.
도 23을 참고하면, 실시예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극이 비교예 4에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극에 비해 사이클에 따른 쿨롱 효율이 높게 나타난다. Referring to FIG. 23, the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Example 2 exhibits higher Coulombic efficiency according to cycles than the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Comparative Example 4.
실시예 2 와 비교예 4에 따른 음극 활물질에서 모두 동일한 조건으로 인 화합물을 이용한 개질 처리되었지만, 비교예 4에 따른 음극 활물질의 경우 등방적 가압 처리에 의한 추가적인 전해액과의 부반응 억제 효과가 미흡한 것으로 나타난다.In the negative active materials according to Example 2 and Comparative Example 4, modification treatment was performed using a phosphorus compound under the same conditions, but in the case of the negative active material according to Comparative Example 4, the effect of suppressing additional side reactions with the electrolyte by isotropic pressurization was found to be insufficient.
도 24는 실시예 2 와 비교예 5에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 45℃에서 충·방전 동안 사이클에 따른 쿨롱 효율 변화를 보여준다. Figure 24 shows the change in coulombic efficiency according to cycles during charge and discharge at 45°C of a negative electrode manufactured using a negative electrode active material according to Example 2 and Comparative Example 5.
도 24를 참고하면, 실시예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극이 비교예 5에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극에 비해 사이클에 따른 쿨롱 효율이 높게 나타난다. Referring to FIG. 24, the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Example 2 exhibits higher Coulombic efficiency according to cycles than the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Comparative Example 5.
실시예 2 와 비교예 5에 따른 음극 활물질에서 모두 동일한 조건으로 등방적 가압 성형 처리되었지만, 실시예 2에 따른 음극 활물질의 경우 음극 활물질 입자 표면 및 내부를 구성하는 인편상 천연흑연 절편 입자들의 가장자리면의 표면이 인 화합물을 사용하여 개질 처리됨으로써, 실시예 2에 따른 음극 활물질에 있어 전해액과의 부반응이 추가적으로 억제되는 것으로 나타난다.In the negative active materials according to Example 2 and Comparative Example 5, isotropic pressure molding was performed under the same conditions, but in the case of the negative active material according to Example 2, the surface of the edge surface of the flaky natural graphite particles constituting the surface and interior of the negative active material particles was modified using a phosphorus compound, so that it was shown that side reactions with the electrolyte were additionally suppressed in the negative active material according to Example 2.
도 25는 실시예 2 와 비교예 6에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 45℃에서 충·방전 동안 사이클에 따른 쿨롱 효율 변화를 보여준다. Figure 25 shows the change in coulombic efficiency according to cycles during charge and discharge at 45°C of a negative electrode manufactured using a negative electrode active material according to Example 2 and Comparative Example 6.
도 25를 참고하면, 실시예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극이 비교예 6에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극에 비해 사이클에 따른 쿨롱 효율이 높게 나타난다. Referring to FIG. 25, the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Example 2 exhibits higher Coulombic efficiency according to cycles than the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Comparative Example 6.
실시예 2 와 비교예 6에 따른 음극 활물질에서 모두 동일한 조건으로 등방적 가압 성형 처리되었지만, 실시예 2에 따른 음극 활물질의 경우 상기 인 화합물을 사용한 개질 처리 후 등방적 가압 성형 처리하였고, 비교예 6에 따른 음극 활물질의 경우 상기 등방적 가압 성형 처리 후 입자 표면에 비정질 탄소 코팅층을 형성하였다. In the negative active materials according to Example 2 and Comparative Example 6, isotropic pressure molding was performed under the same conditions, but in the case of the negative active material according to Example 2, isotropic pressure molding was performed after modification using the above-mentioned compound, and in the case of the negative active material according to Comparative Example 6, an amorphous carbon coating layer was formed on the particle surface after the isotropic pressure molding.
더욱이, 비교예 6에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 경우, 비교예 5에 따라 제조된 음극 활물질 표면에 추가적으로 비정질 및/또는 준결정질 탄소가 코팅되었음에도 비교예 5에 따라 제조된 음극과 유사하게 충·방전 동안 사이클에 따른 쿨롱 효율이 저조함을 보여준다.Furthermore, in the case of the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Comparative Example 6, the Coulombic efficiency according to the cycle during charge and discharge is shown to be low, similar to the negative electrode manufactured according to Comparative Example 5, even though amorphous and/or semi-crystalline carbon is additionally coated on the surface of the negative electrode active material manufactured according to Comparative Example 5.
이로부터, 상기 인 화합물을 사용한 개질 처리와 함께 상기 등방적 가압 처리를 통한 고밀도화 정도, 탭 밀도 및 전극 배향 지수가 어느 임계 수치 이상이고, 상기 입자의 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율이 68% 이상인 입자 형상을 유지되는 상기 모든 조건이 만족될 경우, 45℃의 고온에서 충·방전 사이클 동안 전해액과의 부반응 관련 고온 안정성이 더욱 향상됨을 확인할 수 있다. From this, when all of the above conditions are satisfied, namely, that the degree of densification through the isotropic pressurization treatment using the above-mentioned phosphorus compound, the tap density, and the electrode orientation index are above certain critical values, and the particle shape is maintained such that the percentage of the number of particles having a circularity of 0.95 or less is 68% or more, it can be confirmed that the high-temperature stability with respect to the side reaction with the electrolyte during the charge/discharge cycle at a high temperature of 45°C is further improved.
한편, 현재 흑연계 음극의 고온 안정성 향상을 위해 일반적으로 VC (Vinylene Carbonate)와 같은 피막 형성/조절을 위한 첨가제를 사용한다. 상기 첨가제는 충전 또는 방전 과정 중에서 안정한 전극 표면에 안정한 피막을 형성시키고, 음극재인 탄소의 층상구조 박리, 전해질과의 직접반응 등을 억제함으로써 전지의 충전 또는 방전 과정 중에서 안정한 전극 표면에 안정한 피막을 형성시키고, 음극재인 탄소의 층상구조 박리, 전해질과의 직접반응 등을 억제함으로써 전지의 충·방전 수명을 향상시키는데 기여하며, VC를 통해 형성된 SEI 층은 고온에서도 피막 안정성 유지가 가능한 것으로 알려져 있다. 그러나, VC의 경우 합성과정이 까다롭고 고가인 단점이 있다.Meanwhile, additives for film formation/control, such as VC (Vinylene Carbonate), are generally used to improve the high-temperature stability of current graphite-based negative electrodes. The additive forms a stable film on a stable electrode surface during the charge or discharge process, and suppresses exfoliation of the layered structure of carbon, which is an anode material, and direct reaction with the electrolyte, thereby contributing to improving the charge/discharge life of the battery. It is known that the SEI layer formed through VC can maintain film stability even at high temperatures. However, VC has the disadvantages of a difficult synthesis process and being expensive.
상기 상황을 고려할 때, VC 첨가제가 포함되지 않은 전해액을 사용하지 않은상태에서도 우수한 고온 사이클 안정성을 나타내는 상기 본 발명의 효과는 실질적 및 산업적 관점에서 매우 의미 있는 것으로 나타난다.Considering the above circumstances, the effect of the present invention, which exhibits excellent high-temperature cycle stability even without using an electrolyte containing no VC additive, appears to be very meaningful from a practical and industrial point of view.
또한, 도 26은 실시예 2 와 비교예 7에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 45℃에서 충·방전 동안 사이클에 따른 쿨롱 효율 변화를 보여준다. In addition, FIG. 26 shows the change in coulombic efficiency according to cycles during charge and discharge at 45°C of the negative electrode manufactured using the negative electrode active materials according to Example 2 and Comparative Example 7.
비교예 7에 따른 음극 활물질은 상용 인조흑연으로서, 제조된 음극에 있어 음극 활물질 / SBR / CMC / 카본 블랙 의 중량비는 95.6/2.3/1.1/1이고, 로딩레벨(loading level) 및 전극 밀도는 각각 5 ㎎/㎠ 및 1.55 g/㎤이다. The negative electrode active material according to Comparative Example 7 is commercial artificial graphite, and the weight ratio of the negative electrode active material/SBR/CMC/carbon black in the manufactured negative electrode is 95.6/2.3/1.1/1, and the loading level and electrode density are 5 mg/cm2 and 1.55 g/cm3, respectively.
일반적으로, 상용 인조 흑연 음극 활물질을 사용하는 음극의 경우 불규칙한 무정형의 형상으로 인해 전기 전도성 향상을 위해 카본 블랙을 첨가하였으며, 1.55 g/㎤의 전극 밀도로 제조하였다. 상기 인조 흑연은 1.55 g/㎤이상의 전극 밀도로 제조할 경우 특성이 열화되는 것으로 알려져있다.In general, in the case of a negative electrode using a commercial artificial graphite negative electrode active material, carbon black was added to improve electrical conductivity due to the irregular amorphous shape, and it was manufactured with an electrode density of 1.55 g/cm3. It is known that the characteristics of the artificial graphite deteriorate when manufactured with an electrode density of 1.55 g/cm3 or higher.
반면에 상용 천연 흑연 음극 활물질을 사용하는 음극의 경우, 일반적으로, 1.6 g/㎤의 전극 밀도로 제조한다. On the other hand, in the case of a cathode using commercial natural graphite cathode active material, it is generally manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3.
또한 본 평가에 있어 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 6에 따른 천연 흑연 음극 활물질을 사용하는 모든 음극은 카본 블랙 첨가 없이 1.6 g/㎤의 전극 밀도로 제조하였다.In addition, in this evaluation, all negative electrodes using natural graphite negative electrode active materials according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 6 were manufactured with an electrode density of 1.6 g/cm3 without adding carbon black.
또한, 비교예 7에 따라 제조된 음극 평가를 위해 에틸렌 카보네이트(EC)와 에틸메틸 카보네이트(EMC)의 혼합 용매(EC:EMC = 2:8)에 1M의 LiPF6 을 용해시킨 전해액 또는/과 상기 전해액에 첨가제로서 0.5 wt% VC (Vinylene Carbonate)를 첨가한 전해액을 사용하였다.In addition, for the evaluation of the negative electrode manufactured according to Comparative Example 7, an electrolyte in which 1 M LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) (EC:EMC = 2:8) or an electrolyte in which 0.5 wt% VC (vinylene carbonate) was added as an additive to the electrolyte was used.
도 26을 참고하면, 비교예 7에 따른 음극 활물질 (비정질 탄소 코팅된 인조흑연, Jiangxi Zichen Technology Co., Ltd.)을 사용하여 제조된 음극의 경우, 전해액 첨가제 적용에 따라 특성의 차이가 크게 나타난다. 첨가제로서 0.5 wt% VC가 포함된 전해액을 사용한 경우 충·방전 동안 사이클에 따른 쿨롱 효율이 다소 증가하는 것으로 나타난다. Referring to Fig. 26, in the case of the negative electrode manufactured using the negative electrode active material (amorphous carbon-coated artificial graphite, Jiangxi Zichen Technology Co., Ltd.) according to Comparative Example 7, a large difference in characteristics is shown depending on the application of the electrolyte additive. When the electrolyte containing 0.5 wt% VC as an additive was used, the coulombic efficiency according to the cycle during charge and discharge was shown to increase somewhat.
그러나, 첨가제가 포함되지 않은 전해액을 사용한 실시예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 충·방전 동안 사이클에 따른 쿨롱 효율이 비교예 7에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 사이클에 따른 쿨롱 효율보다 더 높은 값을 나타내고 있다.However, the coulombic efficiency according to the cycle during charge and discharge of the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Example 2 using an electrolyte without an additive shows a higher value than the coulombic efficiency according to the cycle of the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Comparative Example 7.
도 27은 실시예 2 와 비교예 7에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 45℃에서 충·방전 사이클 특성을 보여준다. 여기서, 비교예 7에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극은 첨가제로서 0.5 wt% VC가 포함된 전해액을 사용하여 평가하였다. Figure 27 shows the charge/discharge cycle characteristics at 45°C of the negative electrodes manufactured using the negative electrode active materials according to Example 2 and Comparative Example 7. Here, the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Comparative Example 7 was evaluated using an electrolyte containing 0.5 wt% VC as an additive.
도 27을 참고하면, 실시예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극이 비교예 7에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극에 비해 매우 우수한 고온 수명 특성을 나타낸다. 100 사이클 진행 후 용량 유지율은 비교예 7에 따라 제조된 음극이 88.6%이며, 반면에, 실시예 2에 따라 제조된 음극은 99.1%이다. Referring to FIG. 27, the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Example 2 exhibits very excellent high-temperature life characteristics compared to the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Comparative Example 7. The capacity retention rate after 100 cycles is 88.6% for the negative electrode manufactured according to Comparative Example 7, whereas it is 99.1% for the negative electrode manufactured according to Example 2.
도 26을 참고하면, 비교예 7에 따른 음극활물질(비정질 탄소 코팅된 인조흑연)표면에 생성된 SEI(Solid electrolyte interface)막이 고온에서 지속적인 충/방전 동안 서서히 붕괴됨으로써 노출된 음극 활물질 표면과 전해액 용매가 반응하여 분해되는 부반응이 지속적으로 발생하게 되며 흑연의 결정성이 저하될 수 있다. 이로인해 전극의 저항 증가 및 전지의 용량 감소의 성능 저하가 발생하게 된다. Referring to Fig. 26, the SEI (solid electrolyte interface) film formed on the surface of the negative electrode active material (amorphous carbon-coated artificial graphite) according to Comparative Example 7 gradually collapses during continuous charge/discharge at high temperatures, causing side reactions in which the exposed negative electrode active material surface reacts with the electrolyte solvent and decomposes, and the crystallinity of the graphite may deteriorate. This causes an increase in electrode resistance and a decrease in battery capacity, resulting in a decrease in performance.
한편, 실시예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 경우 사이클에 따른 쿨롱 효율이 거의 100%에 근접하는 높은 값을 나타내고 있어(도 26 참고) 고온에서도 매우 안정적인 SEI막 및 계면의 특성으로 수명 특성 및 용량 유지율이 우수한 것으로 나타난다.Meanwhile, in the case of the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Example 2, the Coulomb efficiency according to the cycle shows a high value approaching 100% (see Fig. 26), indicating excellent life characteristics and capacity retention rate due to the characteristics of the SEI film and interface that are very stable even at high temperatures.
임피던스 스펙트럼 (EIS, electrochemical impedance spectroscopy) 측정Measurement of impedance spectrum (EIS, electrochemical impedance spectroscopy)
상기 실시예 2, 비교예 1 , 2 및 5에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극에 대해 상온에서 포메이션 사이클(formation cycles) 후 및 45℃에서 100사이클 후 충전 상태(SOC100)에서 EIS 분석을 통해 계면 저항을 측정하였다. The interfacial resistance of the negative electrodes manufactured using the negative electrode active materials according to Example 2, Comparative Examples 1, 2 and 5 was measured through EIS analysis at the state of charge (SOC100) after formation cycles at room temperature and after 100 cycles at 45°C.
그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 여기서, Rs는 전해액의 저항을 나타내며, RSEI는 피막(SEI)저항을 나타내고, Rct는 전하이동 저항(Charge transfer resistance)을 나타낸다.The results are shown in Table 4 below. Here, R s represents the resistance of the electrolyte, R SEI represents the film (SEI) resistance, and R ct represents the charge transfer resistance.
표 4를 참고하면, 포메이션 사이클(formation cycles) 후 실시예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극에서 저항이 비교예 1 , 2 및 5에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극에서의 저항에 비해 다소 낮은 것으로 나타난다.Referring to Table 4, the resistance of the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Example 2 after formation cycles appears to be somewhat lower than the resistance of the negative electrodes manufactured using the negative electrode active materials according to Comparative Examples 1, 2, and 5.
특히, 표 4에서 45℃에서 100 사이클 진행 후 측정된 결과를 참고하면, 실시예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 경우 포메이션 사이클(formation cycles) 후 측정된 RSEI 및 Rct는 거의 변화가 없는 것으로 나타난다.In particular, referring to the results measured after 100 cycles at 45°C in Table 4, in the case of the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Example 2, the R SEI and R ct measured after the formation cycles show almost no change.
그러나, 비교예 1 , 2 및 5에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극에서는 45℃에서 100 사이클 진행 후에 크게 증가하는 것으로 나타난다.However, in the negative electrodes manufactured using the negative active materials according to Comparative Examples 1, 2, and 5, a significant increase is observed after 100 cycles at 45°C.
[표 4] [Table 4]
충전 율특성 및 방전 율특성 분석Charge rate characteristics and discharge rate characteristics analysis
상기 실시예 1 내지 4 와 비교예 1 , 2 및 4 내지 6에 따른 각각의 음극 활물질을 사용하여 제조된 테스트용 셀을 이용하여 다음과 같은 방법으로 30℃에서 충전 율특성을 평가하였다. The charge rate characteristics were evaluated at 30°C using test cells manufactured using the respective negative active materials according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1, 2, and 4 to 6, as follows.
충전 율특성 평가를 위한 음극은 1.6 g/㎤ 의 전극 밀도를 가지며, 5 ㎎/㎠ 의 로딩레벨 (loading level)로써 제조하였다. 그 결과를 각각 표 4 에 나타내었다. The cathode for evaluating the charge-rate characteristics had an electrode density of 1.6 g/cm3 and was manufactured with a loading level of 5 mg/cm2. The results are shown in Table 4.
충전 율특성 평가를 위해 충전(리튬삽입 반응)은 전류밀도 0.2C 내지 3C-rate 의 범위에서 CC/CV 모드로 행하였고, 종지 전압은 0.005V로 유지하였으며, 방전(리튬탈리 반응)은 0.2C-rate 의 전류밀도에서 CC 모드로 행하였고, 종지 전압은 1.5V로 유지하였다.To evaluate the charge rate characteristics, charging (lithium insertion reaction) was performed in CC/CV mode at a current density of 0.2 C to 3 C-rate, and the terminal voltage was maintained at 0.005 V. Discharging (lithium removal reaction) was performed in CC mode at a current density of 0.2 C-rate, and the terminal voltage was maintained at 1.5 V.
[표 5] [Table 5]
표 5 를 참고하면, 포메이션 사이클(formation cycles) 후 측정된 충전율 특성을 보면, 실시예 1 및 2 에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 전극이 비교예 1, 2 및 4 에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 전극에 비해 충전 율특성이 우수한 것으로 나타난다. Referring to Table 5, the charge rate characteristics measured after formation cycles show that the electrodes manufactured using the negative active materials according to Examples 1 and 2 have superior charge rate characteristics compared to the electrodes manufactured using the negative active materials according to Comparative Examples 1, 2, and 4.
또한, 실시예 3 및 4 에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 전극의 결과를 참고하면, 고밀도화 처리 후 표면에 비정질 탄소 코팅 처리한 음극 활물질의 경우 다소 유의미한 추가적인 율 특성 향상이 있는 것으로 나타난다. In addition, referring to the results of the electrodes manufactured using the negative active materials according to Examples 3 and 4, it appears that there is a somewhat significant additional improvement in rate characteristics in the case of the negative active material whose surface is coated with amorphous carbon after the densification treatment.
특히, 표 5를 참고하면, 45℃에서 100 사이클 진행 후 측정된 충전율 특성을 보면, 실시예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 전극의 경우 45 ℃에서 100 사이클 진행 후에도 충전 율 특성이 거의 유지되는 것으로 나타난다. In particular, referring to Table 5, the charge rate characteristics measured after 100 cycles at 45°C show that the charge rate characteristics of the electrode manufactured using the negative active material according to Example 2 are almost maintained even after 100 cycles at 45°C.
그러나, 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 5에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 전극의 경우 45℃에서 100 사이클 진행 후 충전율 특성이 퇴화되는 것으로 나타난다. However, in the case of electrodes manufactured using the negative active materials according to Comparative Examples 1, 2, and 5, the charge rate characteristics were found to deteriorate after 100 cycles at 45°C.
이는 화성공정(formation cycles)동안 표면에 생성된 SEI(Solid electrolyte interface)막이 고온에서 지속적인 충/방전 동안 서서히 붕괴됨으로써 노출된 음극 활물질 표면, 특히 표면의 가장자리면과 전해액 용매가 반응하여 분해되는 부반응이 지속적으로 발생하게 되며, 상기 흑연 표면부 가장자리면의 결정성이 저하될 수 있으며, 이로인한 전극의 저항 증가에 따른 것으로 나타난다. This is because the solid electrolyte interface (SEI) film formed on the surface during the formation cycles gradually collapses during continuous charge/discharge at high temperatures, causing a side reaction in which the exposed negative active material surface, especially the edge of the surface, reacts and decomposes with the electrolyte solvent, and the crystallinity of the edge of the graphite surface may decrease, which is caused by an increase in the resistance of the electrode.
또한, 표4의 EIS 분석 결과를 참고하면, 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 5에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 전극의 경우 45℃에서 100 사이클 진행 후 계면 저항(RSEI 및 Rct)이 크게 증가하는 결과와 일치하는 것으로 나타난다.In addition, referring to the EIS analysis results in Table 4, it is consistent with the results that the interfacial resistance (R SEI and R ct ) of the electrodes manufactured using the negative active materials according to Comparative Examples 1, 2, and 5 significantly increases after 100 cycles at 45°C.
구형화 천연 흑연 입자의 고밀도화를 위한 상기 등방적 가압 처리로 인해 입자 강도가 증가하여 높은 전극 밀도에서도 구형화 천연 흑연 입자들의 배향도가 향상되어 리튬 삽입 및 탈리 반응이 용이하고, 고밀도화에 따른 입자 강도 증가와 함께 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 형상을 갖는 음극 활물질 입자들 사이에 미세 공간(pore)이 효과적으로 형성됨으로써 전해액의 함침 및 전해액을 통한 리튬 이온의 이동이 용이하며, 상기 고밀도화와 함께 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 입자 형상의 음극 활물질 입자간 접촉 면적이 증가하여 전극 내부 저항이 감소한다. Due to the isotropic pressurization for densification of spherical natural graphite particles, the particle strength increases, thereby improving the orientation of the spherical natural graphite particles even at a high electrode density, thereby facilitating lithium insertion and de-insertion reactions. In addition, with the increase in particle strength due to densification, micro-pores are effectively formed between negative electrode active material particles having a shape of concave/convex surface morphology, thereby facilitating impregnation of the electrolyte and movement of lithium ions through the electrolyte. In addition, with the densification, the contact area between negative electrode active material particles having a shape of concave/convex surface morphology increases, thereby reducing internal resistance of the electrode.
이로써, 고율 충·방전 특성이 향상될 수 있으며, 이를 위해 상기 개질 처리된 구형화 천연흑연 입자의 고밀도화와 함께, 상기 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 가지며, 상기 입자의 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율이 68% 이상이 되도록 입자 형상 제어가 충분히 이루어져야 함을 확인할 수 있다. Thereby, it can be confirmed that the high-rate charge/discharge characteristics can be improved, and for this purpose, along with the high density of the modified spherical natural graphite particles, the particle shape control must be sufficiently performed so that the percentage of particles having the concave/convex surface morphology and a circularity of 0.95 or less is 68% or more.
이로부터, 상기 개질 처리되고 고밀도화가 이루어진 상기 음극 활물질은 입자의 탭 밀도가 1.19 g/cm3 이상인 것이 바람직하다. From this, it is preferable that the negative active material that has been modified and densified has a particle tap density of 1.19 g/cm 3 or more.
더욱이, 구형 천연흑연 입자의 표면 또는 내부를 구성하는 인편상 천연흑연 절편 입자의 가장자리면이 상기 인화합물을 통해 개질되고, 동시에 상기 등방적 가압 처리로 인해 구형 천연흑연 입자의 표면에 있어 상기 입자를 구성하는 상기 인편상 천연흑연 절편 입자들 사이에 미세한 틈새가 거의 닫혀있는 상태가 되어, 고온에서의 반복적인 충·방전 사이클 진행에도 상기 인편상 흑연의 가장자리면의 구조 변화 및 전해액과의 부반응이 더욱 억제될 수 있다. Furthermore, the edge surfaces of the flaky natural graphite fragment particles constituting the surface or interior of the spherical natural graphite particles are modified by the phosphorus compound, and at the same time, due to the isotropic pressurization, the fine gaps between the flaky natural graphite fragment particles constituting the particles on the surface of the spherical natural graphite particles are almost closed, so that structural changes in the edge surfaces of the flaky graphite and side reactions with the electrolyte can be further suppressed even when repeated charge and discharge cycles are performed at high temperatures.
이로써, 상기 실시예에 따른 음극 활물질, 음극 및 이를 사용하는 리튬 이차전지에 있어, 사이클 동안 충·방전 효율이 향상되고, 사이클 진행에 따른 전지 내부 저항 증가를 최소화하여 충전 율특성 및 방전 율특성이 안정적으로 유지될 수 있다.Accordingly, in the negative electrode active material, negative electrode, and lithium secondary battery using the same according to the above embodiment, the charge/discharge efficiency during the cycle is improved, and the increase in internal resistance of the battery according to the progress of the cycle is minimized, so that the charge rate characteristics and discharge rate characteristics can be stably maintained.
상기 실시예 2 와 비교예 7에 따른 각각의 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극을 이용하여 30℃에서 충전 율특성을 표 6 에서 비교하였다. The charge rate characteristics at 30°C of the negative electrodes manufactured using each of the negative active materials according to Example 2 and Comparative Example 7 were compared in Table 6.
상기 비교예 7에 따른 음극 활물질은 상용 인조흑연으로서, 제조된 음극의 전극 밀도는 1.55 g/㎤이며, 실시예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 전극 밀도는 1.6 g/㎤이다. The negative electrode active material according to the above Comparative Example 7 is commercial artificial graphite, and the electrode density of the manufactured negative electrode is 1.55 g/cm3, and the electrode density of the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Example 2 is 1.6 g/cm3.
비교예 7에 에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 충전율 특성 평가를 위해 에틸렌 카보네이트(EC)와 에틸메틸 카보네이트(EMC)의 혼합 용매(EC:EMC = 2:8)에 1M의 LiPF6 을 용해시킨 전해액에 첨가제로서 0.5 wt% VC (Vinylene Carbonate)를 첨가한 전해액을 사용하였다.In order to evaluate the charge rate characteristics of the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Comparative Example 7, an electrolyte was used in which 1 M LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) (EC:EMC = 2:8), and 0.5 wt% VC (vinylene carbonate) was added as an additive.
[표 6][Table 6]
표 6을 참고하면, 비교예 7에 따른 음극 활물질 (비정질 탄소 코팅된 인조흑연)을 사용하여 제조된 음극의 경우, 실시예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극에 비해 저조한 충전율 특성을 나타낸다. 상기 실시예 2에 따른 음극 활물질을 사용한 음극 평가는 첨가제가 포함되지 않은 전해액을 사용하였다.Referring to Table 6, the negative electrode manufactured using the negative electrode active material (amorphous carbon-coated artificial graphite) according to Comparative Example 7 exhibits lower charge rate characteristics compared to the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Example 2. The negative electrode evaluation using the negative electrode active material according to Example 2 used an electrolyte that did not contain an additive.
일반적으로 상용 전지등에서 흑연계 음극의 안정성 및 성능 향상을 위해 첨가제로서 VC를 사용하는 상황을 고려할 때, 본 발명에서 상기 실시예에 따른 음극 활물질을 사용한 음극 특성 평가에 있어 VC와 같은 첨가제가 포함되지 않은 전해액을 사용하여 우수한 특성을 나타내는 것은 실질적 관점에서 매우 중요하다.Considering the situation in which VC is generally used as an additive to improve the stability and performance of graphite-based negative electrodes in commercial batteries, it is very important from a practical standpoint to exhibit excellent characteristics by using an electrolyte that does not contain an additive such as VC in evaluating the characteristics of the negative electrode using the negative electrode active material according to the above-described example in the present invention.
한편, VC를 첨가한 전해액의 경우, VC의 분해로 생성된 SEI가 상대적으로 높은 저항을 나타내는 것으로 알려져 있다 (J. Korean Electrochem. Soc., Vol. 15, No. 1, 2012). 따라서, VC를 첨가한 전해액을 사용하는 경우 충·방전 율특성이 저하될 수 있다.Meanwhile, in the case of electrolytes with VC added, it is known that SEI generated by the decomposition of VC exhibits relatively high resistance (J. Korean Electrochem. Soc., Vol. 15, No. 1, 2012). Therefore, when using electrolytes with VC added, the charge/discharge rate characteristics may deteriorate.
이로써, 본 발명에 따른 구형화 천연 흑연 음극 활물질은 상용 인조 흑연 음극 활물질과 비교하여 고온에서의 안정성. 고출력 특성 및 장수명 특성과 관련하여 동등 이상의 성능을 갖는 것으로 나타난다.Accordingly, the spherical natural graphite negative electrode active material according to the present invention is shown to have performances equivalent to or higher than those of commercial artificial graphite negative electrode active materials in terms of stability at high temperatures, high output characteristics, and long life characteristics.
또한, 본 발명에 따른 구형화 천연 흑연 음극 활물질은 가역 용량 (~365mAh/g)이 인조 흑연 음극 활물질(~350mAh/g)보다 크며, 실제 리튬 이차전지의 음극 활물질로서 적용시 제조되는 음극의 전극 밀도가 인조 흑연 음극 활물질은 1.55 g/㎤이고 구형화 천연 흑연 음극 활물질은 1.6 g/㎤이므로 에너지 밀도 관점에서도 인조 흑연에 비해서 비교 우위의 특성을 갖는다. In addition, the spherical natural graphite negative electrode active material according to the present invention has a larger reversible capacity (~365 mAh/g) than that of the artificial graphite negative electrode active material (~350 mAh/g), and when applied as the negative electrode active material of an actual lithium secondary battery, the electrode density of the negative electrode manufactured is 1.55 g/cm2 for the artificial graphite negative electrode active material and 1.6 g/cm2 for the spherical natural graphite negative electrode active material, so it has a comparatively superior characteristic compared to the artificial graphite in terms of energy density.
더욱이, 본 발명의 실시예 1 및 2를 참고하면, 상기 음극 활물질 제조에 있어 탄소 코팅 공정을 배제할 수 있으며, 열처리 온도도 낮고 제조 공정이 간단하여 제조 비용이 낮은 장점이 있다. 이로써, 기존 흑연계 음극 활물질로서 인조 흑연 뿐 아니라 상용 천연 흑연 음극 활물질에 비해서도 제조 비용이 낮은 장점이 있다. Furthermore, referring to Examples 1 and 2 of the present invention, the carbon coating process can be excluded in the production of the negative electrode active material, and the heat treatment temperature is low and the production process is simple, so there is an advantage of low production cost. Accordingly, there is an advantage of low production cost compared to not only artificial graphite as an existing graphite-based negative electrode active material, but also commercial natural graphite negative electrode active material.
Full-Cell 적용 평가 비교Full-Cell Application Evaluation Comparison
리튬(Li), 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망가니즈(Mn)을 포함하는 화합물을 포함하는 양극 활물질 96 중량%, 바인더로 폴리비닐리덴플루오라이드 2 중량%, 도전재로 카본 블랙 2 중량%를 혼합한 후 N-메틸피롤리돈에 분산시켜 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 활물질 슬러리를 알루미늄 호일에 도포하여 건조한 후 이를 압연하여 양극을 제조하였다. 상기 양극의 로딩레벨 (loading level)은 17.8 ㎎/㎠이고 전극 밀도는 3.4 g/㎤ 이다.A slurry of positive electrode active material was prepared by mixing 96 wt% of a cathode active material including a compound containing lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn), 2 wt% of polyvinylidene fluoride as a binder, and 2 wt% of carbon black as a conductive material, and then dispersing the mixture in N-methylpyrrolidone. The positive electrode active material slurry was applied to aluminum foil, dried, and then rolled to prepare a positive electrode. The loading level of the positive electrode was 17.8 mg/cm2, and the electrode density was 3.4 g/cm3.
음극 활물질을 CMC/SBR(카르복시메틸 셀룰로오스/스티렌-부타디엔러버)과 96:4의 중량비로 증류수에서 혼합하여 음극 슬러리를 제조하고, 상기 음극 슬러리를 구리 호일 상에 코팅한 후, 건조 및 압착하여 10 ㎎/㎠의 로딩레벨(loading level)과 전극 밀도 1.6 g/㎤을 갖도록 음극을 제조하였다.A negative electrode slurry was prepared by mixing a negative active material with CMC/SBR (carboxymethyl cellulose/styrene-butadiene rubber) at a weight ratio of 96:4 in distilled water, and the negative electrode slurry was coated on a copper foil, followed by drying and pressing to prepare a negative electrode having a loading level of 10 mg/cm2 and an electrode density of 1.6 g/cm3.
상기 양극 및 음극을 사용하여 코인형 풀 셀(full cell)을 제조하였다.A coin-type full cell was manufactured using the above positive and negative electrodes.
음극과 양극 사이에 분리막인 셀가드를 개재하여 적층시켜 전극 조립체를 제조하였다. 이후 에틸렌 카보네이트(EC)와 에틸메틸 카보네이트(EMC)의 혼합 용매(EC:EMC = 2:8)에 1M의 LiPF6 및 첨가제로서 0.5 wt% VC (Vinylene Carbonate)가 포함된 전해액을 첨가하여 테스트용 셀 (2032 type coin cell)을 제작하였다.An electrode assembly was manufactured by laminating the cathode and anode with a separator, Cellgard, interposed between them. Then, an electrolyte containing 1 M LiPF 6 and 0.5 wt% VC (Vinylene Carbonate) as an additive in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) (EC:EMC = 2:8) was added to manufacture a test cell (2032 type coin cell).
상기 코인형 리튬이차전지를 30℃에서 포메이션 단계 후, 사이클은 1C rate에서 CC-CV mode로 충전 및 1C rate에서 CC mode로 방전하며 4.2 V ~ 2.845 V 범위에서 작동하였다.After the formation stage of the above coin-type lithium secondary battery at 30°C, the cycle was charged in CC-CV mode at 1C rate and discharged in CC mode at 1C rate, and operated in the range of 4.2 V to 2.845 V.
실시예 2 와 비교예 1, 2 및 5에 따른 각각의 음극 활물질을 사용하여 제조된 전극에 대해 풀 셀(full cell) 적용 사이클 수명 특성을 평가하였으며, 그 결과를 도 28에 나타내었다. Full cell application cycle life characteristics were evaluated for electrodes manufactured using each negative active material according to Example 2 and Comparative Examples 1, 2, and 5, and the results are shown in Fig. 28.
도 28a를 참고하면, 실시예 2 에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극을 적용한 full cell이 비교예 1 , 2 및 5에 따른 각각의 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극을 적용한 full cell에 비해 우수한 사이클 수명 특성을 나타낸다. Referring to FIG. 28a, a full cell using a negative electrode manufactured using a negative electrode active material according to Example 2 exhibits superior cycle life characteristics compared to a full cell using a negative electrode manufactured using each of the negative electrode active materials according to Comparative Examples 1, 2, and 5.
이는 실시예 2 에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 충·방전 사이클에 대한 우수한 계면 안정성 및 고출력 특성에 기인하는 것으로 사료된다.This is thought to be due to the excellent interfacial stability and high output characteristics of the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Example 2 for charge/discharge cycles.
도 28b에 나타낸 바와 같이, 실시예 2 에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극을 적용한 full cell에 있어 충·방전 사이클에 따른 쿨롱 효율이 비교예 1, 2 및 5에 따른 각각의 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극을 적용한 full cell에 비해 우수한 것으로 나타난다. 이러한 실시예 2에 따른 음극 활물질을 사용하여 제조된 음극의 충·방전 사이클에 대한 음극의 계면 안정성은 도 21, 22 및 도 24에 나타낸 고온에서의 사이클 쿨롱 효율 비교에서도 확인 할 수 있다.As shown in Fig. 28b, the coulombic efficiency according to the charge/discharge cycle in the full cell using the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Example 2 is superior to the full cell using the negative electrodes manufactured using each of the negative electrode active materials according to Comparative Examples 1, 2, and 5. The interfacial stability of the negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to Example 2 with respect to the charge/discharge cycle can also be confirmed in the comparison of the cycle coulombic efficiency at high temperatures shown in Figs. 21, 22, and 24.
이상의 실시예 및 비교예를 검토한 결과 다음과 같은 결론에 도달하였다.After reviewing the above examples and comparative examples, the following conclusions were reached.
기존의 구형화 천연 흑연을 표면 개질 및 기계적 가압 처리등을 통해 아래와 같은 조건을 모두 만족하였을 때 고온에서 전해액과 부반응에 대한 우수한 안정성, 고온에서의 우수한 충·방전 사이클 수명 특성 및 우수한 고율 충·방전 특성을 갖는 음극 활물질 및 리튬 이차전지를 구현할 수 있다. When the existing spherical natural graphite satisfies all of the following conditions through surface modification and mechanical pressurization, it is possible to realize a negative active material and lithium secondary battery having excellent stability against side reactions with electrolytes at high temperatures, excellent charge/discharge cycle life characteristics at high temperatures, and excellent high-rate charge/discharge characteristics.
상기 구형화 천연흑연 입자는 인편상 천연흑연 절편 입자들이 양배추상 혹은 랜덤상으로 결구 및 조립된 구조를 가지며, 상기 구형화 천연흑연 입자의 표면 또는 내부를 구성하는 상기 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 전부 또는 적어도 일부 입자의 가장자리면(edge plane)에 인(P) 원자가 C-O-P 또는 C-P-O 결합을 형성하며, 상기 구형화 천연흑연 입자는 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 형상으로서 입자의 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율이 68% 이상이며, 탭 밀도가 1.19 g/㎤ 이상이어야 한다. The above spherical natural graphite particles have a structure in which flake-shaped natural graphite fragment particles are connected and assembled in a cabbage shape or random shape, and phosphorus (P) atoms form C-O-P or C-P-O bonds on the edge plane of all or at least some of the flake-shaped natural graphite fragment particles constituting the surface or interior of the spherical natural graphite particles, and the spherical natural graphite particles have a shape having a concave/convex surface morphology, and the number percentage of particles having a circularity of 0.95 or less is 68% or more, and the tap density is 1.19 g/cm3 or more.
이로써, 기존 구형화 천연 흑연 음극 활물질의 문제점들을 일거에 해결할 수 있는 독특한 구조 및 형상의 음극 활물질을 개발하기에 이르렀다.As a result, we have developed a cathode active material with a unique structure and shape that can solve all the problems of existing spherical natural graphite cathode active materials at once.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The present invention is not limited to the above embodiments, but can be manufactured in various different forms, and a person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.
Claims (15)
상기 구형화 천연흑연 입자들 각각은 인편상 천연흑연 절편 입자들이 양배추상 혹은 랜덤상으로 결구 및 조립된 구조를 가지며,
상기 구형화 천연흑연 입자들 각각의 표면 또는 내부를 구성하는 상기 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 전부 또는 적어도 일부 입자의 가장자리면(edge plane) 표면에 C-O-P 또는 C-P-O 결합이 형성되어 있으며,
상기 구형화 천연흑연 입자들 각각은 표면에 오목부 및 볼록부가 형성된 오목/볼록한 표면 모폴로지(morphology)를 가지며,
상기 구형화 천연흑연 입자들 중 원형도(circularlity)가 0.95 이하인 입자의 개수 백분율이 68.5% 이상이고,
상기 구형화 천연흑연 입자들의 탭 밀도가 1.201 g/㎤ 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질.
As a negative electrode active material for a lithium secondary battery containing spherical natural graphite particles,
Each of the above spherical natural graphite particles has a structure in which natural graphite fragment particles are formed and assembled in a cabbage-like or random shape.
COP or CPO bonds are formed on the edge plane surface of all or at least some of the flake-shaped natural graphite particles constituting the surface or interior of each of the spherical natural graphite particles,
Each of the above spherical natural graphite particles has a concave/convex surface morphology with concave and convex portions formed on the surface.
Among the above spherical natural graphite particles, the percentage of particles having a circularity of 0.95 or less is 68.5% or more,
A negative electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that the tap density of the above spherical natural graphite particles is 1.201 g/cm3 or more.
인편상 천연흑연 절편 입자의 기저면(basal plane)이 아닌 가장자리면(edge plane)의 표면에만 인(P) 원자가 C-O-P 또는 C-P-O 결합을 통해 결합된 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질.
In the first paragraph,
A negative electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that phosphorus (P) atoms are bonded only to the surface of the edge plane, not the basal plane, of natural graphite fragment particles through COP or CPO bonds.
상기 구형화 천연흑연 입자는 표면에 탄소 코팅층을 더 포함하며,
상기 탄소 코팅층은 하드카본(hard carbon) 전구체로부터 유래된 비정질 탄소 및 소프트 카본(soft carbon) 전구체로부터 유래된 준결정질 탄소로부터 선택되는 1종 이상의 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질.
In the first paragraph,
The above spherical natural graphite particles further include a carbon coating layer on the surface,
A negative electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that the carbon coating layer includes at least one type of carbon selected from amorphous carbon derived from a hard carbon precursor and semi-crystalline carbon derived from a soft carbon precursor.
상기 구형화 천연흑연 입자의 평균 입경이 10 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질.
In the first paragraph,
A negative electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that the average particle diameter of the above-mentioned spherical natural graphite particles is 10 to 20 ㎛.
(B) 상기 용액을 침지 및 교반하여 상기 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 전부 또는 적어도 일부 입자의 가장자리면(edge plane)에 선택적으로 인 화합물을 흡착시키는 단계;
(C) 상기 용액을 건조하고 열처리하여 개질된 구형화 천연흑연 입자를 제조하는 단계; 및
(D) 상기 개질된 구형화 천연 흑연 입자를 등방적으로 가압해서 성형하고, 얻어진 성형체를 해쇄하는 단계;를 포함하는
제1항에 기재된 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조 방법.
(A) A step of preparing a solution containing spherical natural graphite particles having a cabbage-like or randomly-shaped or assembled structure of natural graphite fragment particles, a phosphorus compound, and a solvent;
(B) a step of selectively adsorbing a phosphorus compound onto the edge plane of all or at least some of the natural graphite fragment particles by immersing and stirring the solution;
(C) a step of drying and heat-treating the above solution to produce modified spherical natural graphite particles; and
(D) a step of isotropically pressing and molding the modified spherical natural graphite particles and crushing the resulting molded body;
A method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery as described in claim 1.
(b) 상기 용액을 침지 및 교반하여 상기 인편상 천연흑연 절편 입자들 중 전부 또는 적어도 일부 입자의 가장자리면(edge plane)에 선택적으로 인 화합물을 흡착시키는 단계;
(c) 상기 용액을 건조하고 열처리하여 개질된 구형화 천연흑연 입자를 제조하는 단계;
(d) 상기 개질된 구형화 천연 흑연 입자를 등방적으로 가압해서 성형하고, 얻어진 성형체를 해쇄하는 단계; 및
(e) 상기 단계 (d)에서 얻어진 구형화 천연흑연 입자 표면에 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체를 코팅하고 열처리하여 비정질 또는 준결정질 탄소 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는
제1항에 기재된 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
(a) a step of preparing a solution containing spherical natural graphite particles having a cabbage-like or randomly-shaped or assembled structure of natural graphite fragment particles, a phosphorus compound, and a solvent;
(b) a step of selectively adsorbing a compound to the edge plane of all or at least some of the natural graphite fragment particles by immersing and stirring the solution;
(c) a step of drying and heat-treating the above solution to produce modified spherical natural graphite particles;
(d) a step of isotropically pressing and molding the modified spherical natural graphite particles and crushing the resulting molded body; and
(e) a step of coating an amorphous or semi-crystalline carbon precursor on the surface of the spherical natural graphite particles obtained in the step (d) and performing heat treatment to form an amorphous or semi-crystalline carbon coating layer;
A method for manufacturing a negative electrode active material for a lithium secondary battery as described in Article 1.
상기 인 화합물은 인산트리크레실(TCP, tricresyl phosphate), 트리뷰틸포스페이트(TBP, tributyl phosphate), 트리페닐포스페이트(TPP, triphenyl phosphate), 트리에틸포스페이트(TEP, triethyl phosphate), 트리옥틸포스페이트(trioctyl phosphate), 트리토릴포스파이트(tritolyl phosphite) 및 트리이소옥틸포스파이트(tri-isooctylphosphite)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
In clause 5 or 6,
A method for producing a negative active material for a lithium secondary battery, characterized in that the above-mentioned phosphorus compound is at least one selected from the group consisting of tricresyl phosphate (TCP), tributyl phosphate (TBP), triphenyl phosphate (TPP), triethyl phosphate (TEP), trioctyl phosphate, tritolyl phosphite, and tri-isooctylphosphite.
상기 단계 (C) 또는 단계 (c)에서 실시하는 열처리는,
공기 또는 산소를 포함하는 분위기, 질소, 아르곤 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 분위기, 또는 진공 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
In clause 5 or 6,
The heat treatment performed in the above step (C) or step (c) is
A method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that the method is performed in an atmosphere containing air or oxygen, an atmosphere containing nitrogen, argon or a mixed gas thereof, or under vacuum.
상기 단계 (C) 또는 단계 (c)에서 실시하는 열처리는,
질소, 아르곤 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 분위기 또는 진공 하에서 200 내지 1200℃의 온도에서 수행하거나,
공기 또는 산소를 포함하는 분위기에서 200 내지 600℃의 온도로 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
In Article 8,
The heat treatment performed in the above step (C) or step (c) is
Performed at a temperature of 200 to 1200°C in an atmosphere or vacuum containing nitrogen, argon or a mixed gas thereof, or
A method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that the method is performed at a temperature of 200 to 600°C in an atmosphere containing air or oxygen.
상기 단계 (e)에서 실시하는 열처리는,
질소, 아르곤 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 분위기 또는 진공 하에서 800 내지 1200℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
In Article 6,
The heat treatment performed in the above step (e) is
A method for producing a negative electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that the method is performed at a temperature of 800 to 1200°C in an atmosphere containing nitrogen, argon or a mixed gas thereof or under vacuum.
상기 비정질 또는 준결정질 탄소 전구체는 구연산, 스티아르산, 수크로오스, 폴리불화비닐리덴, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 히드록시프로필셀룰로오스, 재생셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 전분, 페놀 수지, 퓨란 수지, 퍼푸릴 알코올, 폴리아크릴산, 폴리아크릴나트륨, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 에폭시 수지, 셀룰로오스, 스티렌, 폴리비닐알코올, 폴리비닐클로라이드, 석탄계 피치, 석유계 피치, 메조페이스피치, 저분자량 중질유, 글루코오스, 젤라틴, 당류 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극 활물질의 제조방법.
In Article 6,
A method for producing a negative active material for a lithium secondary battery, characterized in that the amorphous or semi-crystalline carbon precursor comprises citric acid, stearic acid, sucrose, polyvinylidene fluoride, carboxymethyl cellulose (CMC), hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), sulfonated EPDM, starch, phenol resin, furan resin, furfuryl alcohol, polyacrylic acid, sodium polyacrylate, polyacrylonitrile, polyimide, epoxy resin, cellulose, styrene, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, coal pitch, petroleum pitch, mesophase pitch, low molecular weight heavy oil, glucose, gelatin, saccharides or a combination thereof.
전극 밀도가 1.6 g/㎤이고, 구형화 천연 흑연의 배향 지수는 0.08 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극.
A negative electrode comprising the negative active material of clause 1,
A negative electrode for a lithium secondary battery, characterized in that the electrode density is 1.6 g/cm3 and the orientation index of spherical natural graphite is 0.08 or more.
전극 밀도가 1.6 g/㎤이고, 구형화 천연 흑연의 배향 지수는 0.25 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극.
As a negative electrode comprising the negative active material of clause 3,
A negative electrode for a lithium secondary battery, characterized in that the electrode density is 1.6 g/cm3 and the orientation index of spherical natural graphite is 0.25 or more.
상기 배향 지수는 음극에 포함된 구형화 천연 흑연의 (110)면과 (004)면을 X-선 회절(XRD) 방법으로 측정하여 각각의 측정된 X-선 회절 피크를 적분하여 얻어진 면적비((110)/(004))인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 음극.
In clause 12 or 13,
The above orientation index is an area ratio ((110)/(004)) obtained by measuring the (110) plane and the (004) plane of the spherical natural graphite included in the negative electrode by an X-ray diffraction (XRD) method and integrating each measured X-ray diffraction peak. A negative electrode for a lithium secondary battery, characterized in that.
양극; 및
전해액;
을 포함하는 리튬 이차전지. A negative electrode comprising a negative active material according to any one of claims 1 to 4;
Bipolar; and
electrolyte;
A lithium secondary battery comprising:
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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