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KR20200023623A - Anode for lithium secondary battery and lithium secondary battery using the same - Google Patents

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KR20200023623A
KR20200023623A KR1020200022925A KR20200022925A KR20200023623A KR 20200023623 A KR20200023623 A KR 20200023623A KR 1020200022925 A KR1020200022925 A KR 1020200022925A KR 20200022925 A KR20200022925 A KR 20200022925A KR 20200023623 A KR20200023623 A KR 20200023623A
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lithium secondary
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Abstract

복합 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지용 음극 및 이를 채용한 리튬 이차전지가 제공된다. 상기 복합 음극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지는 초기 효율 특성 및 수명 특성이 뛰어나다.Provided are a negative electrode for a lithium secondary battery including a composite negative electrode active material and a lithium secondary battery employing the same. The lithium secondary battery including the composite anode active material has excellent initial efficiency characteristics and lifespan characteristics.

Description

리튬 이차전지용 음극 및 이를 채용한 리튬 이차전지 {Anode for lithium secondary battery and lithium secondary battery using the same}Anode for lithium secondary battery and lithium secondary battery employing same {Anode for lithium secondary battery and lithium secondary battery using the same}

리튬 이차전지용 음극 및 이를 채용한 리튬 이차전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 초기 효율이 향상되고, 가역 용량이 증대되며, 수명 특성이 향상된 리튬 이차전지용 음극 및 이를 채용한 리튬 이차전지에 관한 것이다.A negative electrode for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery employing the same. More particularly, the present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary battery having an improved initial efficiency, an increased reversible capacity, and an improved lifetime characteristics, and a lithium secondary battery employing the same.

종래 리튬 이차전지의 음극 활물질로는 리튬 금속을 사용하였으나, 리튬 금속을 사용할 경우 덴드라이트(dendrite) 형성으로 인한 전지 단락이 발생하여 폭발의 위험성이 있으므로 리튬 금속 대신 탄소계 물질이 음극 활물질로서 많이 사용되고 있다.Conventionally, lithium metal is used as a negative electrode active material of a lithium secondary battery. However, when lithium metal is used, a carbon-based material is often used as a negative electrode active material instead of lithium metal because a short circuit may occur due to battery shortage due to dendrite formation. have.

상기 탄소계 활물질로서는, 그래파이트 및 인조 흑연과 같은 결정질계 탄소와 소프트 카본(soft carbon) 및 하드 카본(hard carbon)과 같은 비정질계 탄소가 있다. 그러나 상기 비정질계 탄소는 용량이 크지만, 충방전 과정에서 비가역성이 크다는 문제점이 있다. 결정질계 탄소로는 그래파이트가 대표적으로 사용되며, 이론 한계 용량이 372㎃h/g으로서 용량이 높아 음극 활물질로 이용되고 있다. 그러나 이러한 그래파이트나 카본계 활물질은 이론 용량이 다소 높다고 하여도 380 mAh/g 정도에 불과하여, 향후 고용량 리튬 이차전지의 개발시 상술한 음극을 사용할 수 없게 되는 문제점이 있다.Examples of the carbon-based active material include crystalline carbon such as graphite and artificial graphite, and amorphous carbon such as soft carbon and hard carbon. However, although the amorphous carbon has a large capacity, there is a problem in that irreversibility is large in the charging and discharging process. Graphite is typically used as the crystalline carbon, and the theoretical limit capacity is 372 mAh / g, which has a high capacity and is used as a negative electrode active material. However, even if the graphite or carbon-based active material has a rather high theoretical capacity, it is only about 380 mAh / g, and there is a problem in that the negative electrode cannot be used in the development of a high capacity lithium secondary battery in the future.

이와 같은 문제점을 개선하기 위하여 현재 활발히 연구되고 있는 물질이 금속계 또는 금속간 화합물(intermetallic compounds)계의 음극 활물질이다. 예를 들어 알루미늄, 게르마늄, 규소, 주석, 아연, 납 등의 금속 또는 반금속을 음극 활물질로서 활용한 리튬 이차전지가 연구되고 있다. 이러한 재료는 고용량이면서 고에너지 밀도를 가지며, 탄소계 재료를 이용한 음극 활물질보다 많은 리튬이온을 흡장, 방출할 수 있어 고용량 및 고에너지 밀도를 갖는 전지를 제조할 수 있다고 여겨지고 있다. 예를 들어 순수한 규소는 4017mAh/g의 높은 이론 용량을 갖는 것으로 알려져 있다.In order to improve such a problem, a material that is currently being actively researched is a negative electrode active material based on metal or intermetallic compounds. For example, lithium secondary batteries using metals or semimetals such as aluminum, germanium, silicon, tin, zinc, and lead as negative electrode active materials have been studied. It is considered that such a material has a high energy density and high energy density, and can absorb and release more lithium ions than a negative electrode active material using a carbon-based material, thereby producing a battery having a high capacity and a high energy density. Pure silicon, for example, is known to have a high theoretical capacity of 4017 mAh / g.

그러나 탄소계 재료와 비교하여 사이클 특성이 저하되므로 아직 실용화에 걸림돌이 되고 있으며, 그 이유는 음극 활물질로서 상기 규소나 주석과 같은 무기질 입자를 그대로 리튬 흡장 및 방출 물질로서 사용한 경우, 충방전 과정에서 부피 변화로 인해 활물질 사이의 도전성이 저하되거나, 음극 집전체로부터 음극 활물질이 박리되는 현상이 발생하기 때문이다. However, the cycle characteristics are deteriorated compared to the carbon-based materials, which is still an obstacle to practical use. The reason is that when inorganic particles such as silicon and tin are used as lithium occlusion and release materials as they are, the volume during charge and discharge This is because the change in conductivity between the active materials or the phenomenon in which the negative electrode active material peels from the negative electrode current collector occurs due to the change.

특히 입도가 작거나 비표면적이 큰 활물질의 경우, 전해액과의 접촉면이 증가하여 초기 리튬 삽입시 전해액과의 부반응이 증가하게 된다. 이로 인하여 초기 비가역 용량이 증가하여 초기 효율이 낮아지는 문제가 있다.In particular, in the case of an active material having a small particle size or a large specific surface area, the contact surface with the electrolyte is increased to increase side reactions with the electrolyte during initial lithium insertion. As a result, the initial irreversible capacity is increased, thereby lowering the initial efficiency.

한편, 통상적으로 음극 제조시 사용되는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 스티렌폴리부타디엔 고무 등의 바인더는 상기와 같은 음극 활물질의 물리적인 부피를 견딜 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 폴리이미드계 바인더와 같은 강인성 고분자 바인더를 사용하는 방법이 개발되었으나 상기 강인성 고분자 바인더는 기계적 인장강도 및 접착강도는 매우 우수하지만 전기화학적으로 리튬 이온과 반응하기 쉽고 그 결과 음극의 가역 용량 및 초기 효율을 저하시키는 문제가 있다.On the other hand, binders such as polyvinylidene fluoride and styrene polybutadiene rubber, which are usually used in the production of a negative electrode, may not withstand the physical volume of the negative electrode active material as described above. In order to solve this problem, a method using a tough polymer binder, such as a polyimide binder, has been developed, but the tough polymer binder has excellent mechanical tensile strength and adhesive strength, but is easy to react with lithium ions electrochemically and as a result, There is a problem of lowering reversible capacity and initial efficiency.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 초기 효율 및 가역 용량이 높은 리튬 이차전지용 음극을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a negative electrode for a lithium secondary battery with high initial efficiency and reversible capacity.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 상기 음극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery including the negative electrode.

상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, According to an aspect of the present invention to achieve the above object,

금속계 음극 활물질 및 상기 금속계 음극 활물질 표면에 코팅된 수용성 고분자를 포함하는 복합 음극 활물질; 및A composite negative electrode active material including a metal negative electrode active material and a water-soluble polymer coated on a surface of the metal negative electrode active material; And

폴리이미드계 바인더Polyimide binder

를 포함하는 리튬 이차전지용 음극이 제공된다.There is provided a negative electrode for a lithium secondary battery comprising a.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, According to another aspect of the invention,

상기 음극;The cathode;

양극; anode;

상기 음극과 양극 사이에 위치하는 세퍼레이터; 및A separator positioned between the cathode and the anode; And

전해액을 포함하는 리튬 이차전지가 제공된다.A lithium secondary battery including an electrolyte is provided.

본 발명의 일 측면에 따른 리튬 이차전지용 음극은 초기 비가역 용량이 감소하고 초기 효율이 증가된 리튬 이차전지를 제공할 수 있다.The negative electrode for a lithium secondary battery according to an aspect of the present invention may provide a lithium secondary battery in which initial irreversible capacity is reduced and initial efficiency is increased.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 복합 음극 활물질을 포함하는 음극의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 복합 음극 활물질을 포함하는 전지의 초기 충방전 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 복합 음극 활물질을 포함하는 전지의 용량 유지율을 나타낸 그래프이다.
1 is a view schematically showing a cross section of a negative electrode including a composite negative electrode active material according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing initial charge and discharge curves of a battery including a composite anode active material according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
3 is a graph showing capacity retention rate of a battery including a composite anode active material according to Examples and Comparative Examples of the present invention.

이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 측면에 따른 리튬 이차전지용 음극은 금속계 음극 활물질 및 상기 금속계 음극 활물질 표면에 코팅된 수용성 고분자를 포함하는 복합 음극 활물질; 및 폴리이미드계 바인더를 포함한다.According to an aspect of the present invention, a lithium secondary battery negative electrode includes a composite negative electrode active material including a metal-based negative electrode active material and a water-soluble polymer coated on the surface of the metal-based negative electrode active material; And polyimide binders.

본 발명의 일 구현예에 따르면 비표면적이 큰 금속계 음극 활물질을 수용성 고분자를 이용하여 균일하게 코팅함으로써, 금속계 음극 활물질의 부피 팽창/수축에 의한 전극 구조의 파괴를 억제할 수 있다. 즉, 수용성 고분자를 이용하여 유기 pre-SEI(Solid Electrolyte Interface)를 형성함으로써 금속계 음극 활물질의 결함 부분을 보호하여 전해액과의 직접적인 접촉을 억제하여 금속계 음극 활물질 표면에서의 전해액과의 부반응을 억제할 수 있다. 결과적으로, 리튬 이차전지의 초기 효율 향상 및 가역 용량 증대를 가져올 수 있고 에너지 밀도를 높일 수 있는 장점이 있다.According to one embodiment of the present invention, by uniformly coating a metal-based negative active material having a large specific surface area using a water-soluble polymer, it is possible to suppress destruction of the electrode structure due to volume expansion / contraction of the metal-based negative electrode active material. That is, by forming an organic pre-SEI (Solid Electrolyte Interface) using a water-soluble polymer to protect the defective portion of the metal-based negative electrode active material to suppress direct contact with the electrolyte solution to suppress side reactions with the electrolyte on the surface of the metal-based negative electrode active material have. As a result, the initial efficiency of the lithium secondary battery can be improved and the reversible capacity can be increased and the energy density can be increased.

상기 금속계 음극 활물질은 당업계에서 사용되는 것이라면 아무 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Zn, Ag 및 Au로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속, 이들의 합금, 이들의 산화물, 또는 이들과 탄소 재료와의 복합체를 포함한다. The metal-based negative active material may be used without any limitation as long as it is used in the art, for example, at least one metal selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Ge, Pb, Zn, Ag, and Au, alloys thereof, and the like. Oxide, or a composite of these with a carbon material.

상기 금속계 음극 활물질로는 예를 들어, 규소, 규소 산화물, 규소계 합금, 규소-탄소재료 복합체, 주석, 주석계 합금, 주석-탄소 재료 복합체, 게르마늄, 게르마늄 합금, 게르마늄-탄소 재료 복합체, 게르마늄 산화물 또는 이들의 조합을 들 수 있다.Examples of the metal-based negative active material include silicon, silicon oxide, silicon-based alloy, silicon-carbon material composite, tin, tin-based alloy, tin-carbon material composite, germanium, germanium alloy, germanium-carbon material composite, and germanium oxide. Or a combination thereof.

상기 탄소 재료로는 탄소나노튜브, 천연 흑연, 인조흑연, 코크스, 탄소 섬유, 구상 탄소, 비정질 탄소 및 그래핀중에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. The carbon material may include at least one selected from carbon nanotubes, natural graphite, artificial graphite, coke, carbon fiber, spherical carbon, amorphous carbon, and graphene.

상기 수용성 고분자는 단일중합체 또는 공중합체일 수 있으며, 물 1000g에 대하여 10g 이상이 용해될 수 있다. The water-soluble polymer may be a homopolymer or a copolymer, 10g or more may be dissolved with respect to 1000g of water.

상기 금속계 음극 활물질 표면에는 금속 산화물 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 금속계 음극 활물질 표면에 포함되는 금속 산화물 물질로는 리튬티타늄산화물, 산화알루미늄, 산화규소, 산화티타늄 및 산화아연 중에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 상기 금속 산화물 물질은 음극 표면에서 음극 활물질과 전해액과의 부반응을 감소시켜 초기 효율 및 수명 특성을 향상시킬 수 있다. 특히 리튬티타늄산화물의 경우, 충전될 때 리튬 이온을 수용하지만 방전될 때는 리튬 이온을 방출하지 않아 활물질의 전도성을 향상시킬 수 있다.The metal-based negative electrode active material may further include a metal oxide material. The metal oxide material included on the surface of the metal-based negative electrode active material may include at least one selected from lithium titanium oxide, aluminum oxide, silicon oxide, titanium oxide, and zinc oxide. The metal oxide material may improve side efficiency and lifespan characteristics by reducing side reactions between the negative electrode active material and the electrolyte on the surface of the negative electrode. Particularly, in the case of lithium titanium oxide, lithium ions are accommodated when charged but do not release lithium ions when discharged, thereby improving conductivity of the active material.

상기 금속 산화물 물질은 복합 음극 활물질 중 0.1 내지 10중량%일 수 있다. 상기 범위내에 드는 경우, 전해액과의 부반응을 줄여 초기 효율을 향상시킬 수 있다.The metal oxide material may be 0.1 to 10% by weight of the composite anode active material. When it is in the said range, side reaction with electrolyte solution can be reduced and initial stage efficiency can be improved.

상기 수용성 고분자는 카르복시메틸 셀룰로오즈, 카르복시메틸 셀룰로오즈 나트륨염, 카르복시메틸 셀룰로오즈 암모늄염, 메틸 셀룰로오즈, 하이드록시 메틸 셀룰로오즈, 하드록시 프로필 셀룰로오즈, 에틸 셀룰로오즈, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴산, 알칼리 양이온 또는 암모늄이온으로 치환된 폴리아크릴산, 알칼리 양이온 또는 암모늄 이온으로 치환된 폴리(알킬렌-무수말레인산) 공중합체, 알칼리 양이온 또는 암모늄 이온으로 치환된 폴리(알킬렌-말레인산) 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 알긴산 및 알긴산나트륨염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The water-soluble polymer is substituted with carboxymethyl cellulose, carboxymethyl cellulose sodium salt, carboxymethyl cellulose ammonium salt, methyl cellulose, hydroxy methyl cellulose, hydroxy propyl cellulose, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, alkali cation or ammonium ion Poly (alkylene-maleic anhydride) copolymer substituted with polyacrylic acid, alkali cation or ammonium ion, poly (alkylene-maleic acid) copolymer substituted with alkali cation or ammonium ion, polyethylene oxide, alginic acid and sodium alginate salt It may be one or more selected from the group.

상기 수용성 고분자는 복합 음극 활물질중 0.5 내지 20중량%일 수 있다. 상기 범위내에 드는 경우 초기 효율을 향상시키고, 가역 용량을 증대 시킬 수 있다.The water-soluble polymer may be 0.5 to 20% by weight of the composite anode active material. If it falls within the above range, the initial efficiency can be improved, and the reversible capacity can be increased.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 음극을 모식적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a negative electrode according to an embodiment of the present invention.

도 1에서 보듯이, 금속계 음극 활물질(11)은 수용성 고분자(12)에 의해 표면이 코팅되고, 이와 같이 표면이 코팅된 금속계 활물질을 포함하는 복합 음극 활물질 사이에 폴리이미드계 바인더(13)가 존재하여 음극을 형성하게 된다.As shown in FIG. 1, the metal-based negative active material 11 has a surface coated with a water-soluble polymer 12, and a polyimide-based binder 13 is present between the composite negative active materials including the metal-based active material coated with the surface. To form a cathode.

상기 폴리이미드계 바인더는 전극 구조의 붕괴를 방지하여 전극의 수명 특성을 향상시킬 수 있다. 즉, 비표면적이 큰 금속계 음극 활물질을 수용성 고분자를 이용하여 균일하게 코팅한 후, 고강도 폴리이미드계 바인더를 이용하여 금속계 음극 활물질의 부피 팽창/수축에 의한 전극 구조의 파괴를 억제한다.The polyimide-based binder can prevent the collapse of the electrode structure to improve the life characteristics of the electrode. That is, after uniformly coating a metal-based negative active material having a large specific surface area using a water-soluble polymer, the high-strength polyimide-based binder is used to suppress destruction of the electrode structure due to volume expansion / contraction of the metal-based negative electrode active material.

상기 폴리이미드계 바인더로는 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.As the polyimide-based binder, one or more selected from the group consisting of polyimide, polyamideimide, polyetherimide, and the like may be used.

상기 폴리이미드로서는, 공지의 각종 폴리이미드를 들 수 있고, 열가소성 폴리이미드, 열경화성 폴리이미드 중 어느 것이나 사용할 수 있다. 열경화성 폴리이미드의 경우에는, 축합형의 폴리이미드, 부가형의 폴리이미드 중 어느 것이어도 된다. 전자의 이동성이 양호한 등의 이유로, 분자쇄 중에 방향환을 가지는 것, 즉 방향족 폴리이미드를 들 수 있다. 폴리이미드는 1종만을 사용하여도 되고, 2종 이상을 병용하여도 된다.As said polyimide, various well-known polyimide can be mentioned, Any of thermoplastic polyimide and thermosetting polyimide can be used. In the case of a thermosetting polyimide, any of a condensation type polyimide and an addition type polyimide may be sufficient. The reason for having good electron mobility and the like is one having an aromatic ring in the molecular chain, that is, an aromatic polyimide. Polyimide may use only 1 type and may use 2 or more types together.

폴리아미드이미드로서는, 공지의 각종 폴리아미드이미드를 들 수 있다. 폴리아미드이미드에서도 폴리이미드와 동일한 이유에서 분자쇄 중에 방향환을 가지는 것, 즉 방향족 폴리아미드이미드를 들 수 있다. 폴리아미드이미드는 1종만을 사용하여도 되고, 2종 이상을 병용하여도 된다.As polyamideimide, various well-known polyamideimide is mentioned. Also in polyamideimide, the same thing as polyimide has an aromatic ring in a molecular chain, ie, an aromatic polyamideimide. Polyamideimide may use only 1 type, and may use 2 or more types together.

폴리아미드로서는, 예를 들면 나일론 66, 나일론 6, 방향족 폴리아미드(나일론 MXD6 등) 등의 각종 폴리아미드를 사용할 수 있다. 폴리아미드에서도, 폴리이미드 등과 동일한 이유에서, 분자쇄 중에 방향환을 가지는 것, 즉 방향족 폴리아미드를 들 수 있다. 폴리아미드는 1종만을 사용하여도 되고, 2종 이상의 폴리아미드를 병용하여도 된다.As polyamide, various polyamides, such as nylon 66, nylon 6, and aromatic polyamide (nylon MXD6 etc.), can be used, for example. Also in polyamide, for the same reason as polyimide, what has an aromatic ring in a molecular chain, ie, an aromatic polyamide, is mentioned. Polyamide may use only 1 type and may use 2 or more types of polyamide together.

상기 리튬 이차전지용 음극에서 상기 수용성 고분자는 상기 복합 음극 활물질 중 0.5 내지 20중량%의 양으로 존재할 수 있다. 상기 범위내에 드는 경우 초기 효율을 높이고 가역 용량을 증가시킬 수 있다.The water-soluble polymer in the negative electrode for the lithium secondary battery may be present in an amount of 0.5 to 20% by weight of the composite negative electrode active material. If it falls within the above range, it is possible to increase the initial efficiency and increase the reversible capacity.

상기 폴리이미드계 바인더는 상기 리튬 이차전지용 음극중 5 내지 30중량%의 양으로 존재할 수 있다. 상기 범위내에 드는 경우 우수한 수명 특성을 유지할 수 있다.The polyimide binder may be present in an amount of 5 to 30% by weight of the negative electrode for the lithium secondary battery. If it is in the above range can maintain excellent life characteristics.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 리튬 이차전지용 음극은 금속계 음극 활물질 입자, 수용성 고분자 및 물을 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 건조하여 복합 음극 활물질을 제조하는 단계; 상기 복합 음극 활물질, 폴리이미드계 바인더 및 유기 용매를 포함하는 슬러리를 제조하는 단계; 및 상기 슬러리를 집전체상에 코팅하는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.According to another aspect of the invention, the negative electrode for a lithium secondary battery comprises the steps of preparing a mixture comprising a metal-based negative electrode active material particles, a water-soluble polymer and water; Drying the mixture to prepare a composite anode active material; Preparing a slurry including the composite anode active material, a polyimide binder, and an organic solvent; And coating the slurry onto a current collector.

이 때 상기 슬러리를 집전체상에 직접 코팅하는 대신에 별도의 지지체상에 캐스팅하고 이 지지체로부터 박리시킨 필름을 구리 집전체에 라미네이션하여 음극을 제조할 수도 있다. At this time, instead of coating the slurry directly on the current collector, the negative electrode may be manufactured by casting the slurry on a separate support and laminating the film peeled from the support onto the copper current collector.

금속계 음극 활물질, 수용성 고분자 및 폴리이미드계 바인더를 동시에 혼합하는 경우에는 수용성 고분자와 폴리이미드계 바인더의 상용성이 떨어져 원하는 음극층을 형성할 수가 없다. 따라서, 본 발명의 일 구현예에 따른 음극의 제조방법에서는 금속계 음극 활물질 입자, 수용성 고분자 및 물을 포함하는 혼합물을 먼저 제조한 다음, 이를 건조하여 금속계 음극 활물질 표면에 수용성 고분자가 코팅된 복합 음극 활물질을 먼저 얻은 다음, 이를 폴리이미드계 바인더 및 유기 용매와 혼합하여 슬러리를 얻게 된다. 그런 다음 이 슬러리를 집전체상에 코팅 또는 지지체상에 캐스팅한 다음 건조시키는 단계를 포함하는 방법으로 음극층을 얻을 수 있다.When the metal-based negative electrode active material, the water-soluble polymer, and the polyimide binder are mixed at the same time, the compatibility of the water-soluble polymer and the polyimide-based binder is poor, and thus a desired negative electrode layer cannot be formed. Therefore, in the method of manufacturing a negative electrode according to an embodiment of the present invention, a composite negative electrode active material having a water-soluble polymer coated on the surface of a metal negative electrode active material is prepared by first preparing a mixture including metal-based negative electrode active material particles, a water-soluble polymer, and water. Is obtained first and then mixed with a polyimide-based binder and an organic solvent to obtain a slurry. The slurry can then be cast onto a current collector or coated on a support and then dried to obtain a negative electrode layer.

상기 유기 용매로는 N-메틸피롤리돈, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미트, 디메틸술폭사이드 등을 사용할 수 있다.N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide and the like can be used as the organic solvent.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 리튬 이차전지는 상기 음극; 양극; 상기 음극과 상기 양극 사이에 존재하는 세퍼레이터; 및 전해액을 포함한다.Lithium secondary battery according to another aspect of the present invention the negative electrode; anode; A separator existing between the cathode and the anode; And electrolyte solutions.

상기 양극은 양극 활물질, 도전제, 바인더 및 용매를 혼합하여 양극 활물질 조성물을 준비한 다음 이를 알루미늄 집전체상에 직접 코팅 및 건조하여 제조할 수 있다. 또는 상기 양극 활물질 조성물을 별도의 지지체상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 상기 알루미늄 집전체 상에 라미네이션하여 제조할 수도 있다.The positive electrode may be prepared by mixing a positive electrode active material, a conductive agent, a binder, and a solvent to prepare a positive electrode active material composition, and then coating and drying the positive electrode active material directly on an aluminum current collector. Alternatively, the cathode active material composition may be cast on a separate support, and then a film obtained by peeling from the support may be laminated on the aluminum current collector.

상기 양극 활물질로는 리튬 함유 금속 산화물로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 제한 없이 모두 사용가능하며, 예컨대, LiCoO2, LiMnxO2x, LiNix-1MnxO2x(x=1, 2), LiNi1-x-yCoxMnyO2(0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5) 등을 들 수 있다. 상기 양극 활물질 조성물에서 도전제는 카본 블랙을 사용할 수 있으며, 바인더로는 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 그 혼합물, 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머를 사용할 수 있다. 용매로는 N-메틸피롤리돈, 아세톤, 물 등을 사용할 수 있다. 이 때 양극 활물질, 도전제, 바인더 및 용매의 함량은 리튬 전지에서 통상적으로 사용하는 수준이다.The positive electrode active material may be any lithium-containing metal oxide, without limitation, as long as it is commonly used in the art, for example, LiCoO 2 , LiMn x O 2x , LiNi x-1 Mn x O 2x (x = 1, 2 ), LiNi 1-xy Co x Mn y O 2 (0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ y ≦ 0.5), and the like. Carbon black may be used as the conductive agent in the positive electrode active material composition, and vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, and polytetrafluoro And ethylene and mixtures thereof, and styrene butadiene rubber polymers. N-methylpyrrolidone, acetone, water, etc. can be used as a solvent. At this time, the content of the positive electrode active material, the conductive agent, the binder, and the solvent is at a level commonly used in lithium batteries.

경우에 따라서는 상기 양극 활물질 조성물에 가소제를 더 부가하여 전극판 내부에 기공을 형성하기도 한다.In some cases, a plasticizer is further added to the positive electrode active material composition to form pores in the electrode plate.

상기 세퍼레이터로는 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용가능하다. 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 및 이들의 혼합물중에서 선택된 재질로서, 부직포 또는 직포 형태이여도 무방하다. 이를 보다 상세하게 설명하면 리튬 이온 전지의 경우에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 재료로 된 권취가능한 세퍼레이터를 사용하며, 리튬 이온 폴리머 전지의 경우에는 유기전해액 함침 능력이 우수한 세퍼레이터를 사용하는데, 이러한 세퍼레이터는 하기 방법에 따라 제조가능하다.As the separator, any of those commonly used in lithium batteries can be used. In particular, it is preferable that it is low resistance with respect to the ion movement of electrolyte, and is excellent in electrolyte-moisture capability. For example, the material selected from glass fiber, polyester, Teflon, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), and mixtures thereof may be in the form of nonwoven or woven fabric. In more detail, a lithium ion battery uses a rollable separator made of a material such as polyethylene or polypropylene, and a lithium ion polymer battery uses a separator having excellent organic electrolyte impregnation ability. It can be manufactured according to the method.

즉, 고분자 수지, 충진제 및 용매를 혼합하여 세퍼레이터 조성물을 준비한 다음, 상기 세퍼레이터 조성물을 전극 상부에 직접 코팅 및 건조하여 세퍼레이터 필름을 형성하거나, 또는 상기 세퍼레이터 조성물을 지지체 상에 캐스팅 및 건조한 후, 상기 지지체로부터 박리시킨 세퍼레이터 필름을 전극 상부에 라미네이션하여 형성할 수 있다.That is, a separator composition is prepared by mixing a polymer resin, a filler, and a solvent, and then the separator composition is directly coated and dried on an electrode to form a separator film, or the separator composition is cast and dried on a support, and then the support The separator film peeled off can be laminated on the electrode and formed.

상기 고분자 수지는 특별히 한정되지는 않으며, 예를 들면 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트 또는 그 혼합물을 사용할 수 있다. 특히, 헥사플루오로프로필렌 함량이 8 내지 25중량%인 비닐리덴플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머를 사용하는 것이 바람직하다.The polymer resin is not particularly limited, and for example, vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate or a mixture thereof may be used. In particular, it is preferable to use vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymers having a hexafluoropropylene content of 8 to 25% by weight.

상술한 바와 같은 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 배치하여 전지 구조체를 형성한다. 이러한 전지 구조체를 와인딩하거나 접어서 원통형 전지 케이스나 또는 각형 전지 케이스에 넣은 다음, 유기 전해액을 주입하면 리튬 이온 전지가 완성된다. 또는 상기 전지 구조체를 바이셀 구조로 적층한 다음, 이를 유기 전해액에 함침시키고, 얻어진 결과물을 파우치에 넣어 밀봉하면 리튬 이온 폴리머 전지가 완성된다.The separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode as described above to form a battery structure. The battery structure is wound or folded, placed in a cylindrical battery case or a square battery case, and then injected with an organic electrolyte to complete a lithium ion battery. Alternatively, the battery structure is stacked in a bi-cell structure, and then impregnated in the organic electrolyte, and the resultant is placed in a pouch and sealed to complete a lithium ion polymer battery.

상기 유기 전해액은 리튬염, 및 고유전율 용매와 저비점 용매로 이루어진 혼합 유기용매를 포함하며, 필요에 따라 과충전 방지제와 같은 다양한 첨가제를 더 포함할 수 있다.The organic electrolyte solution includes a lithium salt, a mixed organic solvent consisting of a high dielectric constant solvent and a low boiling point solvent, and may further include various additives such as an overcharge preventing agent if necessary.

상기 유기 전해액에 사용되는 고유전율 용매로는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트와 같은 환상형 카보네이트 또는 감마-부티로락톤 등을 사용할 수 있다.The high dielectric constant solvent used in the organic electrolyte is not particularly limited as long as it is commonly used in the art, and for example, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate or gamma-butyrolactone may be used. have.

또한, 저비점 용매 역시 당업계에 통상적으로 사용되는 것으로서, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트. 디에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트와 같은 사슬형 카보네이트, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄 또는 지방산 에스테르 유도체 등을 사용할 수 있으며, 특별히 제한되지는 않는다.In addition, low boiling point solvents are also commonly used in the art, such as dimethyl carbonate and ethylmethyl carbonate. Diethyl carbonate, chain carbonates such as dipropyl carbonate, dimethoxyethane, diethoxyethane or fatty acid ester derivatives may be used, and the like is not particularly limited.

상기 고유전율 용매 및 저비점 용매에 존재하는 하나 이상의 수소 원자는 할로겐 원자로 치환될 수 있으며, 상기 할로겐 원자로서는 불소가 바람직하다.One or more hydrogen atoms present in the high dielectric constant solvent and the low boiling point solvent may be substituted with a halogen atom, and the halogen atom is preferably fluorine.

상기 고유전율 용매와 저비점 용매의 혼합 부피비는 1:1 내지 1:9인 것이 바람직하며, 상기 범위를 벗어나는 때에는 방전용량 및 충방전수명 측면에서 바람직하지 못하다.It is preferable that the mixing volume ratio of the high dielectric constant solvent and the low boiling point solvent is 1: 1 to 1: 9, and when it is out of the range, it is not preferable in terms of discharge capacity and charge and discharge life.

또한 상기 유기 전해액에 사용되는 리튬염은 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 다 사용가능하며, LiClO4, LiCF3SO2, LiPF6, LiN(CF3SO2)2, LiBF4, LiC(CF3SO2)3, 및 LiN(C2F5SO2)2로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물이 바람직하다.In addition, any lithium salt used in the organic electrolyte may be used as long as it is conventionally used in lithium batteries, LiClO 4 , LiCF 3 SO 2 , LiPF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiBF 4 , LiC (CF Preference is given to at least one compound selected from the group consisting of 3 SO 2 ) 3 , and LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 .

유기 전해액중 상기 리튬염의 농도는 0.5 내지 2M 정도인 것이 바람직한데, 상기 범위내에 드는 경우 리튬 이온의 이동성이 유지되고 전해액의 전도도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.It is preferable that the concentration of the lithium salt in the organic electrolyte is about 0.5 to 2 M. If it falls within the above range, the mobility of lithium ions can be maintained and the conductivity of the electrolyte can be prevented from decreasing.

이하에서 본 발명을 실시예를 들어 보다 상세히 설명하나 이들이 본 발명을 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but these are not intended to limit the present invention.

제조예 1Preparation Example 1

폴리이소부틸렌-무수말레인산 공중합체(구입처:Kuraray, 제품명:ISOBAM, 중량평균분자량 300,000~350,000) 4g과 LiOH 1.245g을 탈이온수 96g에 넣고 혼합한 후, 약 70oC에서 24시간 동안 교반을 진행하여 리튬이 치환된 폴리이소부틸렌 -무수말레인산과 탈이온수를 함유하는 고분자 조성물을 얻었다. 4 g of polyisobutylene-maleic anhydride copolymer (purchased from Kuraray, product name: ISOBAM, weight average molecular weight 300,000 to 350,000), and 1.245 g of LiOH were mixed in 96 g of deionized water, followed by stirring at about 70 ° C. for 24 hours. Proceeding to obtain a polymer composition containing polyisobutylene-maleic anhydride and deionized water substituted with lithium.

제조예 2Preparation Example 2

폴리아크릴산(구입처:알드리치, 점도평균분자량 450,000) 4 g과 LiOH 1.35g을 탈이온수 96 g에 넣고 혼합한 후, 약 70oC에서 24시간 동안 교반을 진행하여 리튬이 치환된 폴리아크릴산과 탈이온수를 함유하는 고분자 조성물을 얻었다. 4 g of polyacrylic acid (purchased by Aldrich, viscosity average molecular weight 450,000) and 1.35 g of LiOH were mixed in 96 g of deionized water, followed by stirring at about 70 ° C. for 24 hours to carry out lithium substitution of polyacrylic acid and deionized water. A polymer composition containing was obtained.

실시예 1Example 1

규소(평균입경4㎛, 알드리치사)와 탄소나노튜브(한화케미컬㈜)를 중량비 50:50으로 혼합한 후, 30분동안 고에너지 밀링기를 이용하여 규소/탄소 복합체 입자를 제조하였다. Silicon (average particle size 4㎛, Aldrich) and carbon nanotubes (Hanhwa Chemical Co., Ltd.) were mixed in a weight ratio of 50:50, and then silicon / carbon composite particles were prepared using a high energy mill for 30 minutes.

상기 방법으로 제조된 규소/탄소 복합체 입자 75중량부와 상기 제조예 1에서 제조한 리튬으로 치환된 폴리이소부틸렌-무수말레인산 공중합체(Li-1.0-PIBMA) 수용액 125중량부를 균일하게 혼합한 후, 80℃ 오븐에서 건조하여 리튬으로 치환된 폴리이소부틸렌-무수말레인산 공중합체가 규소/탄소 복합체 표면에 코팅된 복합 음극 활물질을 제조하였다. 75 parts by weight of the silicon / carbon composite particles prepared by the above method and 125 parts by weight of an aqueous solution of polyisobutylene-maleic anhydride copolymer (Li-1.0-PIBMA) substituted with lithium prepared in Preparation Example 1 were then uniformly mixed. After drying in an oven at 80 ° C., a composite negative electrode active material having a polyisobutylene-maleic anhydride copolymer substituted with lithium coated on a silicon / carbon composite surface was prepared.

상기 제조한 복합 음극 활물질에 폴리아미드이미드 바인더(구입처:Solvay Solexis, 제품명:Torlon4000T)를 5중량%로 N-메틸피롤리돈에 용해한 용액 400중량부를 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 15㎛의 구리 집전체 위에 약 75㎛가 되도록 코팅하였다. 이렇게 제조된 전극을 약 100℃의 열풍건조기에서 2시간 동안 건조한 후, 다시 한 번 약 120℃에서 2시간 동안 진공 건조하여 수분을 완전히 제거한 음극을 제조하였다. 제조된 음극을 압연기를 통하여 활물질층의 최종 두께가 약 40㎛이 되도록 압연을 실시하여 최종 음극을 제조하였다.After preparing a slurry by mixing 400 parts by weight of a solution of polyamideimide binder (purchased: Solvay Solexis, product name: Torlon4000T) in N-methylpyrrolidone at 5% by weight to the composite anode active material prepared above, a slurry was prepared. It was coated on the current collector to be about 75 μm. The electrode thus prepared was dried in a hot air dryer at about 100 ° C. for 2 hours, and once again vacuum dried at about 120 ° C. for 2 hours to prepare a cathode from which moisture was completely removed. The prepared negative electrode was rolled through a rolling mill so that the final thickness of the active material layer was about 40 μm to prepare a final negative electrode.

실시예 2Example 2

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 규소/탄소 복합체 입자 75중량부와 상기 제조예 2의 리튬으로 치환된 폴리아크릴산(Li-PAA) 125중량부를 균일하게 혼합한 후, 80℃ 오븐에서 건조하여 리튬으로 치환된 폴리아크릴산이 규소/탄소 복합체 입자 표면에 코팅된 복합 음극 활물질을 제조하였다. 상기 복합 음극 활물질에 폴리아미드이미드 바인더(구입처:Solvay Solexis, 제품명:Torlon4000T)를 5중량%로 N-메틸피롤리돈에 용해한 용액 400중량부를 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 구리 집전체 위에 코팅하여 전극을 제조하였다.75 parts by weight of the silicon / carbon composite particles prepared in the same manner as in Example 1 and 125 parts by weight of polyacrylic acid (Li-PAA) substituted with lithium of Preparation Example 2 were uniformly mixed, and then dried in an 80 ° C. oven. A composite anode active material in which polyacrylic acid substituted with lithium was coated on the silicon / carbon composite particle surface was prepared. The composite anode active material was mixed with 400 parts by weight of a solution of polyamideimide binder (purchased: Solvay Solexis, product name: Torlon4000T) in N-methylpyrrolidone at 5% by weight to prepare a slurry, and then coated on a copper current collector. An electrode was prepared.

실시예 3Example 3

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 규소/탄소 복합체 입자 75중량부와 10중량%의 폴리비닐알코올(PVA)(구입처:간토화학, 제품명: Polyvinyl alcohol #2,000) 수용액 50중량부를 균일하게 혼합한 후, 80℃ 오븐에서 건조하여 폴리비닐알코올이 규소/탄소 복합체 표면에 코팅된 복합 음극 활물질을 제조하였다. 상기 복합 음극 활물질에 폴리아미드이미드 바인더(구입처:Solvay Solexis, 제품명:Torlon4000T)를 5중량%로 N-메틸피롤리돈에 용해한 용액 400중량부를 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 구리 집전체 위에 코팅하여 전극을 제조하였다.75 parts by weight of the silicon / carbon composite particles prepared in the same manner as in Example 1 and 10 parts by weight of polyvinyl alcohol (PVA) (purchased: Kanto Chemical, product name: Polyvinyl alcohol # 2,000) 50 parts by weight of an aqueous solution After drying in an oven at 80 ° C., a composite negative electrode active material having a polyvinyl alcohol coated on a silicon / carbon composite surface was prepared. The composite anode active material was mixed with 400 parts by weight of a solution of polyamideimide binder (purchased: Solvay Solexis, product name: Torlon4000T) in N-methylpyrrolidone at 5% by weight to prepare a slurry, and then coated on a copper current collector. An electrode was prepared.

실시예 4Example 4

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 규소/탄소 복합체 입자 75중량부와 2중량%의 알긴산나트륨(Na-Alginate) 수용액 250중량부를 균일하게 혼합한 후, 80℃ 오븐에서 건조하여 알긴산나트륨이 규소/탄소 복합체 표면에 코팅된 복합 음극 활물질을 제조하였다. 상기 복합 음극 활물질에 폴리아미드이미드 바인더(구입처:Solvay Solexis, 제품명:Torlon4000T)를 5중량%로 N-메틸피롤리돈에 용해한 용액 400중량부를 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 구리 집전체 위에 코팅하여 전극을 제조하였다.75 parts by weight of the silicon / carbon composite particles prepared in the same manner as in Example 1 and 250 parts by weight of 2% by weight of an aqueous solution of sodium alginate (Na-Alginate), and then dried in an oven at 80 ℃ and sodium alginate silicon A composite anode active material coated on the / carbon composite surface was prepared. The composite anode active material was mixed with 400 parts by weight of a solution of polyamideimide binder (purchased: Solvay Solexis, product name: Torlon4000T) in N-methylpyrrolidone at 5% by weight to prepare a slurry, and then coated on a copper current collector. An electrode was prepared.

실시예 5Example 5

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 규소/탄소 복합체 입자 75중량부와 2중량%의 카르복시메틸셀룰로오즈 나트륨염 (구입처:Daicel, 제품명: CMC 1260) 수용액 250중량부를 균일하게 혼합한 후, 80℃ 오븐에서 건조하여 카르복시메틸셀룰로오즈 나트륨염이 규소/탄소 복합체 표면에 코팅된 복합 음극 활물질을 제조하였다. 상기 복합 음극 활물질에 폴리아미드이미드 바인더(구입처:Solvay Solexis, 제품명:Torlon4000T)를 5중량%로 N-메틸피롤리돈에 용해한 용액 400중량부를 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 구리 집전체 위에 코팅하여 전극을 제조하였다.75 parts by weight of the silicon / carbon composite particles prepared in the same manner as in Example 1 and 2 parts by weight of carboxymethylcellulose sodium salt (purchased: Daicel, product name: CMC 1260) 250 parts by weight of an aqueous solution was uniformly mixed, then 80 ℃ Drying in an oven prepared a composite anode active material in which carboxymethylcellulose sodium salt was coated on the silicon / carbon composite surface. The composite anode active material was mixed with 400 parts by weight of a solution of polyamideimide binder (purchased: Solvay Solexis, product name: Torlon4000T) in N-methylpyrrolidone at 5% by weight to prepare a slurry, and then coated on a copper current collector. An electrode was prepared.

실시예 6Example 6

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 규소/탄소 복합체 입자 80중량부와 2중량%의 카르복시메틸셀룰로오즈 나트륨염(구입처: Daicel, 제품명: CMC 1330) 수용액 150중량부를 균일하게 혼합한 후, 80℃ 오븐에서 건조하여 카르복시메틸셀룰로오즈 나트륨염(CMC 1330)이 규소/탄소 복합체 표면에 코팅된 복합 음극 활물질을 제조하였다. 상기 복합 음극 활물질에 폴리아미드이미드 바인더(구입처:Solvay Solexis, 제품명:Torlon4000T)를 5중량%로 N-메틸피롤리돈에 용해한 용액 340중량부를 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 구리 집전체 위에 코팅하여 전극을 제조하였다.80 parts by weight of the silicon / carbon composite particles prepared in the same manner as in Example 1 and 150 parts by weight of an aqueous solution of 2% by weight of carboxymethylcellulose sodium salt (purchase: Daicel, product name: CMC 1330) were uniformly mixed, followed by 80 ° C. Drying in an oven produced a composite anode active material in which carboxymethylcellulose sodium salt (CMC 1330) was coated on the silicon / carbon composite surface. The composite anode active material was mixed with 340 parts by weight of a solution of polyamideimide binder (Buy: Solvay Solexis, product name: Torlon4000T) in N-methylpyrrolidone at 5% by weight to prepare a slurry, and then coated on a copper current collector. An electrode was prepared.

실시예 7Example 7

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 규소/탄소 복합체 입자 80중량부와 2중량%의 카르복시메틸셀룰로오즈 암모늄염(구입처:Daicel, 제품명: DN-100L) 수용액 150중량부를 균일하게 혼합한 후, 80℃ 오븐에서 건조하여 카르복시메틸 셀룰로오즈 암모늄염 (DN-100L)이 규소/탄소 복합체 표면에 코팅된 복합 음극 활물질을 제조하였다. 상기 복합 음극 활물질에 폴리아미드이미드 바인더(구입처:Solvay Solexis, 제품명:Torlon4000T)를 5중량%로 N-메틸피롤리돈에 용해한 용액 340중량부를 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 구리 집전체 위에 코팅하여 전극을 제조하였다.80 parts by weight of the silicon / carbon composite particles prepared in the same manner as in Example 1 and 150 parts by weight of an aqueous solution of 2% by weight of carboxymethylcellulose ammonium salt (Daicel, product name: DN-100L) were uniformly mixed, followed by 80 ° C. Drying in an oven prepared a composite anode active material in which carboxymethyl cellulose ammonium salt (DN-100L) was coated on the silicon / carbon composite surface. The composite anode active material was mixed with 340 parts by weight of a solution of polyamideimide binder (Buy: Solvay Solexis, product name: Torlon4000T) in N-methylpyrrolidone at 5% by weight to prepare a slurry, and then coated on a copper current collector. An electrode was prepared.

비교예 1Comparative Example 1

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 규소/탄소 복합체 입자 80중량부와 폴리아미드이미드 바인더(구입처:Solvay Solexis, 제품명:Torlon4000T)를 5중량%로 N-메틸피롤리돈에 용해한 용액 400중량부를 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 구리 집전체 위에 코팅하여 전극을 제조하였다.80 parts by weight of the silicon / carbon composite particles prepared in the same manner as in Example 1 and a polyamideimide binder (purchased from Solvay Solexis, product name: Torlon4000T) at 5% by weight in 400 parts by weight of a solution dissolved in N-methylpyrrolidone After mixing to prepare a slurry, it was coated on a copper current collector to prepare an electrode.

비교예 2Comparative Example 2

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 규소/탄소 복합체 입자 80중량부와 상기 제조예 2의 리튬으로 치환된 폴리아크릴산(Li-PAA) 500중량부를 균일하게 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 구리 집전체 위에 코팅하여 전극을 제조하였다.80 parts by weight of the silicon / carbon composite particles prepared in the same manner as in Example 1 and 500 parts by weight of polyacrylic acid (Li-PAA) substituted with lithium of Preparation Example 2 uniformly mixed to prepare a slurry, The electrode was prepared by coating on the whole.

비교예 3Comparative Example 3

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 규소/탄소 복합체 입자 75중량부와 상기 제조예 2의 리튬으로 치환된 폴리아크릴산(Li-PAA) 125중량부 및 폴리아미드이미드 바인더(구입처:Solvay Solexis, 제품명:Torlon4000T)를 5중량%로 N-메틸피롤리돈에 용해한 용액 400중량부를 함께 혼합하였다. 리튬으로 치환된 폴리아크릴산 수용액의 용매는 물이고, 폴리아미드이미드의 용매는 N-메틸피롤리돈이기 때문에 각각의 바인더 물질이 서로에게는 비용매이기 때문에 고분자 물질이 석출되어 전극 슬러리를 제조할 수 없었다.75 parts by weight of the silicon / carbon composite particles prepared in the same manner as in Example 1 and 125 parts by weight of polyacrylic acid (Li-PAA) substituted with lithium of Preparation Example 2 and a polyamideimide binder (purchased: Solvay Solexis, product name : 400 parts by weight of a solution of Torlon4000T) dissolved in N-methylpyrrolidone at 5% by weight was mixed together. Since the solvent of the polyacrylic acid aqueous solution substituted with lithium is water, and the solvent of polyamideimide is N-methylpyrrolidone, since the binder materials are nonsolvents to each other, a polymer material precipitates and an electrode slurry cannot be prepared. .

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 전극을 음극으로 하고, Li 금속을 대극으로 하고, 폴리에틸렌을 세퍼레이터로 하고, 1.3M LiPF6 + EC/DEC/FEC=2/6/2 (v/v) (3:7 무게비) 전해액을 사용하여 코인 반쪽 셀(CR2032)을 제조한 후, 다음과 같은 조건으로 충방전을 실시하였다. The electrodes prepared in Examples and Comparative Examples were used as the cathode, Li metal as the counter electrode, polyethylene as the separator, and 1.3M LiPF 6 + EC / DEC / FEC = 2/6/2 (v / v) ( 3: 7 weight ratio) The coin half cell (CR2032) was prepared using an electrolyte, and then charged and discharged under the following conditions.

130mA/g으로 0.001V까지 정전류로 충전한 후, 정전압으로 65mA/g까지 충전을 실시하였다. 130mA/g으로 1.5V까지 정전류로 방전을 실시하였다. 이를 50회 반복하여 충방전 특성을 평가하였다.After charging with constant current to 0.001V at 130 mA / g, it charged to 65 mA / g at constant voltage. The discharge was performed at a constant current up to 1.5 V at 130 mA / g. This was repeated 50 times to evaluate the charge and discharge characteristics.

초기효율은 다음과 같은 식으로 계산한다.Initial efficiency is calculated by the following equation.

초기 효율 (%) = (1회 방전 용량 / 1회 충전 용량) x 100Initial Efficiency (%) = (One Discharge Capacity / One Charge Capacity) x 100

하기 표 1에 실시예 및 비교예에 따른 전지의 충방전 용량, 초기 효율 및 용량 유지율을 나타내었다. 도 2에는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 음극을 포함하는 리튬 이차전지의 충방전 용량을 나타내었다. 도 3에는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 음극을 포함하는 리튬 이차전지의 용량 유지율을 나타내었다. Table 1 shows the charge and discharge capacity, initial efficiency, and capacity retention rate of the batteries according to Examples and Comparative Examples. 2 shows the charge and discharge capacity of the lithium secondary battery including the negative electrode according to the embodiment and the comparative example of the present invention. 3 shows the capacity retention rate of the lithium secondary battery including the negative electrode according to the Examples and Comparative Examples of the present invention.

No.No. 충전 용량
(mAh/g)
Charge capacity
(mAh / g)
방전 용량
(mAh/g)
Discharge capacity
(mAh / g)
초기 효율
(%)
Initial efficiency
(%)
용량 유지율
(%)
Capacity retention
(%)
비교예 1Comparative Example 1 1,9841,984 1,3661,366 68.968.9 89.289.2 비교예 2Comparative Example 2 2,1802,180 1,5251,525 71.071.0 55.255.2 실시예 1Example 1 2,3662,366 1,6661,666 70.570.5 90.090.0 실시예 2Example 2 2,1152,115 1,4921,492 70.570.5 89.389.3 실시예 3Example 3 2,1002,100 1,4801,480 70.570.5 89.589.5 실시예 4Example 4 2,3502,350 1,6571,657 70.570.5 90.390.3 실시예 5Example 5 2,3662,366 1,7101,710 72.372.3 90.290.2 실시예 6Example 6 2,2852,285 1,6351,635 71.671.6 90.890.8 실시예 7Example 7 2,2712,271 1,6361,636 72.172.1 90.690.6

상기 표 1에서 비교예 2의 경우에는 바인더로 폴리아미드이미드를 사용하지 않은 예로서 실시예 1 내지 실시예 4보다 초기 효율이 다소 높으나, 용량 유지율이 급격히 떨어지는 특성을 나타내었다. 이는 비교예 2의 바인더가 충방전중의 활물질의 부피 팽창 및 수축에 대응하지 못하고, 전극을 견고하게 유지하지 못하여 수명 특성이 급격히 떨어지는 것으로 알 수 있다.상기 표 1 및 도 2와 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 음극 활물질을 포함하는 음극을 채용한 리튬 이차전지의 경우, 초기 효율이 높고 용량 유지율이 증가되었으며, 수명 특성이 개선되었음을 알 수 있다. 특히 금속이 치환된 수용성 고분자를 사용하는 경우 가역 용량이 증가됨을 알 수 있다.In Comparative Example 2 in Table 1, the initial efficiency was slightly higher than that of Examples 1 to 4 as an example of not using polyamideimide as a binder, but the capacity retention ratio was rapidly decreased. This can be seen that the binder of Comparative Example 2 does not correspond to the volume expansion and contraction of the active material during charging and discharging, and the life characteristics are sharply degraded because the electrode is not firmly held. As described above, in the case of the lithium secondary battery including the negative electrode including the composite negative active material according to the present invention, the initial efficiency is high, the capacity retention rate is increased, and the lifespan characteristics are improved. In particular, it can be seen that the reversible capacity is increased when using a water-soluble polymer substituted with a metal.

11: 금속계 음극 활물질
12: 수용성 고분자
13: 폴리이미드계 바인더
11: metal negative active material
12: water soluble polymer
13: polyimide binder

Claims (11)

복수의 금속 입자 및 탄소 재료가 혼합된 복합체를 포함하는 금속계 음극 활물질 및 상기 금속계 음극 활물질 표면에 코팅된 수용성 고분자를 포함하는 복합 음극 활물질; 및
폴리이미드계 바인더;를 포함하고,
상기 금속계 음극 활물질은 규소-탄소재료 복합체, 주석-탄소재료 복합체, 게르마늄-탄소재료 복합체 및 이들의 조합으로부터 선택되고,
상기 탄소 재료는 탄소나노튜브, 천연 흑연, 인조흑연, 탄소 섬유, 구상 탄소 및 그래핀 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고,
상기 수용성 고분자는 상기 복합 음극 활물질 중 3.6 내지 20 중량%의 양으로 포함된 리튬 이차전지용 음극.
A composite negative electrode active material including a metal-based negative electrode active material including a composite in which a plurality of metal particles and a carbon material are mixed and a water-soluble polymer coated on a surface of the metal-based negative electrode active material; And
It comprises a polyimide-based binder,
The metal-based negative active material is selected from silicon-carbon material composites, tin-carbon material composites, germanium-carbon material composites, and combinations thereof,
The carbon material includes at least one selected from carbon nanotubes, natural graphite, artificial graphite, carbon fiber, spherical carbon, and graphene,
The water-soluble polymer is a negative electrode for a lithium secondary battery contained in an amount of 3.6 to 20% by weight of the composite negative electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 수용성 고분자는 카르복시메틸 셀룰로오즈, 카르복시메틸 셀룰로오즈 나트륨염, 카르복시메틸 셀룰로오즈 암모늄염, 메틸 셀룰로오즈, 하이드록시 메틸 셀룰로오즈, 하이드록시 프로필 셀룰로오즈, 에틸 셀룰로오즈, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴산, 알칼리 양이온 또는 암모늄 이온으로 치환된 폴리아크릴산, 알칼리 양이온 또는 암모늄이온으로 치환된 폴리(알킬렌-무수말레인산) 공중합체, 알칼리 양이온 또는 암모늄이온으로 치환된 폴리(알킬렌-말레인산) 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 알긴산 및 알긴산나트륨염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The water-soluble polymer is substituted with carboxymethyl cellulose, carboxymethyl cellulose sodium salt, carboxymethyl cellulose ammonium salt, methyl cellulose, hydroxy methyl cellulose, hydroxy propyl cellulose, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, alkali cation or ammonium ion Poly (alkylene-maleic anhydride) copolymer substituted with polyacrylic acid, alkali cation or ammonium ion, poly (alkylene-maleic acid) copolymer substituted with alkali cation or ammonium ion, polyethylene oxide, alginic acid and sodium alginate salt At least one lithium secondary battery negative electrode selected from the group.
제1항에 있어서,
상기 수용성 고분자는 상기 복합 음극 활물질 중 3.61 내지 20 중량%의 양으로 포함된 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The water-soluble polymer is a negative electrode for a lithium secondary battery contained in the amount of 3.61 to 20% by weight of the composite negative electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 수용성 고분자는 상기 복합 음극 활물질 중 3.6 내지 6.3 중량%의 양으로 포함된 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The water-soluble polymer is a negative electrode for a lithium secondary battery contained in an amount of 3.6 to 6.3% by weight of the composite negative electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 수용성 고분자는 상기 복합 음극 활물질 중 3.61 내지 6.25 중량%의 양으로 포함된 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The water-soluble polymer is a negative electrode for a lithium secondary battery contained in the amount of 3.61 to 6.25% by weight of the composite negative electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 금속계 음극활물질 표면에 금속 산화물 물질을 더 포함하는 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The negative electrode for a lithium secondary battery further comprises a metal oxide material on the surface of the metal-based negative electrode active material.
제6항에 있어서,
상기 금속 산화물 물질은 리튬티타늄산화물, 산화알루미늄, 산화규소, 산화티타늄 및 산화아연 중에서 선택된 1종 이상인 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 6,
The metal oxide material is at least one selected from lithium titanium oxide, aluminum oxide, silicon oxide, titanium oxide and zinc oxide negative electrode for a lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 폴리이미드계 바인더는 상기 리튬 이차전지용 음극 중 5 내지 30 중량%의 양으로 포함된 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The polyimide-based binder is a lithium secondary battery negative electrode contained in the amount of 5 to 30% by weight of the negative electrode for the lithium secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 폴리이미드계 바인더는 폴리아미드이미드, 폴리아미드 및 폴리이미드중에서 선택된 1종 이상인 리튬 이차전지용 음극.
The method of claim 1,
The polyimide-based binder is at least one selected from polyamideimide, polyamide and polyimide negative electrode for a lithium secondary battery.
복수의 금속 입자 및 탄소 재료가 혼합된 복합체를 포함하는 금속계 음극 활물질 입자, 수용성 고분자 및 물을 포함하는 혼합물을 제조하는 단계;
상기 혼합물을 건조하여 복합 음극 활물질을 제조하는 단계;
상기 복합 음극 활물질, 폴리이미드계 바인더 및 유기 용매를 포함하는 슬러리를 제조하는 단계; 및
상기 슬러리를 집전체상에 코팅하는 단계
를 포함하는 제1항에 따른 리튬 이차전지용 음극의 제조방법.
Preparing a mixture including metal-based negative active material particles, a water-soluble polymer, and water, including a composite in which a plurality of metal particles and a carbon material are mixed;
Drying the mixture to prepare a composite anode active material;
Preparing a slurry including the composite anode active material, a polyimide binder, and an organic solvent; And
Coating the slurry onto a current collector
Method for manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1 comprising a.
양극;
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 음극;
상기 양극과 음극 사이에 위치하는 세퍼레이터; 및
전해액을 포함하는 리튬 이차전지.
anode;
The negative electrode according to any one of claims 1 to 9;
A separator positioned between the positive electrode and the negative electrode; And
Lithium secondary battery containing an electrolyte solution.
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