WO2023068601A1 - 리튬 이차 전지용 음극, 음극을 포함하는 리튬 이차 전지 및 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법 - Google Patents

리튬 이차 전지용 음극, 음극을 포함하는 리튬 이차 전지 및 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present application relates to a negative electrode for a lithium secondary battery, a lithium secondary battery including the negative electrode, and a method for manufacturing the negative electrode for a lithium secondary battery.
  • a secondary battery is a representative example of an electrochemical device using such electrochemical energy, and its use area is gradually expanding.
  • lithium secondary batteries having high energy density and voltage, long cycle life, and low self-discharge rate have been commercialized and widely used.
  • an electrode for such a high-capacity lithium secondary battery research is being actively conducted on a method for manufacturing a high-density electrode having a higher energy density per unit volume.
  • a secondary battery is composed of an anode, a cathode, an electrolyte, and a separator.
  • the negative electrode includes a negative electrode active material for intercalating and deintercalating lithium ions from the positive electrode, and silicon-based particles having a high discharge capacity may be used as the negative electrode active material.
  • an electrode using an Si active material has excellent capacity characteristics compared to an electrode using SiO or an electrode using a carbon-based active material.
  • an electrode using a Si active material causes rapid reaction with Li ions during charging/discharging, so electrode deterioration occurs intensively on the surface.
  • volume expansion itself is suppressed, such as a method of adjusting the driving potential, a method of additionally coating a thin film on the active material layer, and a method of controlling the particle diameter of the silicon-based compound.
  • Various methods for preventing or preventing the conductive path from being disconnected are being discussed, but in the case of the above methods, the performance of the battery may be deteriorated, so there is a limit to the application, and a negative electrode battery with a high silicon-based compound content is still Commercialization of manufacturing has limitations.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-080971
  • the present application uses a silicon-based active material for a negative electrode to maximize capacity, and at the same time, a negative electrode for a lithium secondary battery that can prevent deterioration of the electrode surface during charging and discharging cycles, which is a conventional problem, without causing a problem in capacity degradation, and a negative electrode It relates to a method for manufacturing a lithium secondary battery and a negative electrode for a lithium secondary battery comprising a.
  • An exemplary embodiment of the present specification is an anode current collector layer; and a negative electrode active material layer provided on one surface of the negative electrode current collector layer, wherein the negative electrode active material layer includes a negative electrode active material; cathode conductive material; and an anode binder, wherein the anode active material includes Si and SiO, the weight ratio of Si:SiO is 65:35 to 85:15, and the anode active material layer is the anode current collector layer Compared to the SiO content on the surface facing the negative electrode current collector layer, the SiO content on the surface opposite to the negative electrode current collector layer is higher.
  • an anode active material including Si and SiO; cathode conductive material; and applying a first negative electrode composition comprising a negative electrode binder on the negative electrode current collector layer; and forming a negative electrode active material layer by coating a second negative electrode composition containing SiO on the first negative electrode composition, wherein the negative electrode active material 100 included in the first negative electrode composition It contains 60 parts by weight or more of Si based on parts by weight, the weight ratio of Si:SiO of the negative electrode active material layer is 65:35 to 85:15, and the negative electrode active material layer is formed on the side facing the negative electrode current collector layer. Compared to the SiO content, it provides a method for manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery in which the content of SiO on the surface opposite to the surface facing the negative electrode current collector layer is higher.
  • the first negative electrode composition is applied on the negative electrode current collector layer, and the second negative electrode composition is applied on the first negative electrode composition.
  • both wet on wet and wet on dry processes may be included.
  • a wet on wet process means that the second negative electrode composition is applied on top of the first negative electrode composition while the first negative electrode composition itself is still wet (ie, not dried).
  • the wet on dry process means that the first negative electrode composition itself is completely dried and the second negative electrode composition is applied on top of the completely dried first negative electrode composition.
  • the anode A negative electrode for a lithium secondary battery according to the present application; a separator provided between the anode and the cathode; And an electrolyte; it provides a lithium secondary battery comprising a.
  • the anode active material includes Si and SiO
  • the anode active material layer has a SiO content on a surface facing the anode current collector layer, compared to the content of SiO in the anode current collector It is characterized in that the content of SiO on the opposite side of the side facing the layer is higher. Accordingly, a large amount of SiO, which has better reaction durability than Si, is distributed on the outermost surface of the negative electrode, so that even if cycles of charging and discharging of the battery are repeated, the reaction non-uniformity in the depth direction of the negative electrode can be resolved.
  • the ratio of Si:SiO included in the negative electrode active material satisfies 65:35 to 85:15.
  • the negative electrode according to the present application contains Si at an optimal ratio compared to SiO, so the capacity characteristics of the negative electrode are very excellent in terms of energy density, and the problem of poor lifespan due to reaction non-uniformity due to the inclusion of Si is solved by SiO as described above. It has a characteristic solved according to the concentration gradient in the negative electrode active material layer.
  • the negative electrode for a lithium secondary battery does not use two negative active material layers, but forms an active material concentration gradient in a single negative active material layer. Accordingly, the surface where the negative electrode current collector layer and the negative electrode active material layer are in contact includes a small amount of Si, which has relatively little volume expansion due to charging and discharging, so that the separation phenomenon from the negative electrode current collector layer can be prevented.
  • FIG. 1 is a diagram showing a laminated structure of a negative electrode for a lithium secondary battery according to an exemplary embodiment of the present application.
  • FIG. 2 is a diagram showing a laminated structure of an anode for a rechargeable lithium battery according to an exemplary embodiment of the present application.
  • FIG. 3 is a diagram showing a laminated structure of a negative electrode for a rechargeable lithium battery according to an exemplary embodiment of the present application.
  • FIG. 4 is a diagram showing a laminated structure of an anode for a lithium secondary battery according to an exemplary embodiment of the present application.
  • FIG. 5 is a diagram showing a laminated structure of a lithium secondary battery according to an exemplary embodiment of the present application.
  • FIG. 6 is a SEM photograph showing a cross-section of an anode in which an anode active material layer is formed on both sides of an anode current collector layer according to the present application.
  • 'p to q' means a range of 'p or more and q or less'.
  • specific surface area is measured by the BET method, and is specifically calculated from the nitrogen gas adsorption amount under liquid nitrogen temperature (77K) using BELSORP-mino II of BEL Japan. That is, in the present application, the BET specific surface area may mean the specific surface area measured by the above measuring method.
  • Dn means a particle size distribution, and means a particle size at the n% point of the cumulative distribution of the number of particles according to the particle size. That is, D50 is the particle diameter (average particle diameter) at the 50% point of the cumulative distribution of the number of particles according to the particle size, D90 is the particle size at the 90% point of the cumulative distribution of the number of particles according to the particle size, and D10 is the cumulative number of particles according to the particle size. It is the particle size at the 10% point of the distribution. Meanwhile, the particle size distribution can be measured using a laser diffraction method. Specifically, after dispersing the powder to be measured in a dispersion medium, it is introduced into a commercially available laser diffraction particle size measuring device (e.g. Microtrac S3500) to measure the difference in diffraction pattern according to the particle size when the particles pass through the laser beam to distribute the particle size. yields
  • a laser diffraction particle size measuring device e.g. Microtrac S3500
  • a polymer includes a certain monomer as a monomer unit means that the monomer participates in a polymerization reaction and is included as a repeating unit in the polymer.
  • this is interpreted as the same as that the polymer includes a monomer as a monomer unit.
  • the weight average molecular weight (Mw) and the number average molecular weight (Mn) are measured using a commercially available monodisperse polystyrene polymer (standard sample) of various degrees of polymerization for molecular weight measurement as a standard material, and gel permeation chromatography (Gel Permeation It is the molecular weight in terms of polystyrene measured by chromatography; GPC).
  • molecular weight means a weight average molecular weight unless otherwise specified.
  • An exemplary embodiment of the present specification is an anode current collector layer; and a negative electrode active material layer provided on one surface of the negative electrode current collector layer, wherein the negative electrode active material layer includes a negative electrode active material; cathode conductive material; and an anode binder, wherein the anode active material includes Si and SiO, the weight ratio of Si:SiO is 65:35 to 85:15, and the anode active material layer is the anode current collector layer.
  • the SiO content on the surface facing the negative electrode current collector layer is higher.
  • the negative electrode active material layer is a lithium secondary having a concentration gradient in which the content of SiO increases in a direction from a surface facing the negative electrode current collector layer to an opposite surface facing the negative electrode current collector layer.
  • a negative electrode for a battery is provided.
  • the anode active material includes Si and SiO, and the anode active material layer has the concentration gradient as described above. Accordingly, the content of Si decreases toward the surface of the negative electrode active material layer, so that a large amount of SiO, which has better reaction durability than Si, is distributed on the outermost surface of the negative electrode, so that even if the cycle of the battery is repeated, the reaction non-uniformity in the depth direction of the negative electrode can be resolved. Its main feature is that it can
  • the negative electrode active material layer according to the present application includes Si and SiO in the above weight ratio to maximize capacity characteristics while using a single-layer negative active material layer, and also uses SiO as a negative electrode to solve the problem of lifespan due to electrode surface degradation.
  • the main object of the present invention is to enhance durability by minimizing the Si content of the surface of the negative electrode active material layer through the concentration gradient of the active material layer.
  • FIG. 1 is a diagram showing a laminated structure of a negative electrode for a lithium secondary battery according to an exemplary embodiment of the present application. Specifically, the negative electrode 100 for a lithium secondary battery including the negative electrode active material layer 20 on one surface of the negative electrode current collector layer 10 can be confirmed, and FIG. 1 shows that the negative electrode active material layer is formed on one surface, but the negative electrode collector It can be included on both sides of the entire layer.
  • the negative electrode active material layer provides a negative electrode for a lithium secondary battery provided on both sides of the negative electrode current collector layer.
  • FIG. 2 is a diagram showing a laminated structure of a negative electrode for a rechargeable lithium battery according to an exemplary embodiment of the present application.
  • the negative electrode active material layer is included on both sides of the negative electrode current collector layer, and the negative electrode 100 for a lithium secondary battery including the negative electrode active material layer 20 on both sides of the negative electrode current collector layer 10 can be confirmed. It is rare to substantially coat the single surface as shown in FIG. 1, and as shown in FIG. 2, the active material layer may be coated on both sides of the negative electrode current collector layer.
  • the negative electrode composition of the present invention is included on at least one surface of the current collector layer, it is possible to manufacture a negative electrode.
  • composition of the active material layer coated on both sides may be the same or different from each other, and when the composition is different, a commonly used active material layer such as carbon-based or silicon-based may be used, and most preferably, both sides according to the present application A negative electrode active material layer containing the negative electrode composition is coated.
  • the negative current collector layer generally has a thickness of 1 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • Such an anode current collector layer is not particularly limited as long as it does not cause chemical change in the battery and has high conductivity.
  • a surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like, an aluminum-cadmium alloy, or the like may be used.
  • fine irregularities may be formed on the surface to enhance the bonding strength of the negative active material, and may be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and nonwoven fabrics.
  • the negative electrode current collector layer has a thickness of 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less, and the negative electrode active material layer has a thickness of 20 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less. This range includes both the anode active material layer on one side of the anode current collector layer and the anode active material layer on both sides of the anode current collector layer.
  • the thickness may be variously modified depending on the type and purpose of the negative electrode used, but is not limited thereto.
  • a negative electrode active material layer provided on one surface of the negative electrode current collector layer is a negative electrode for a lithium secondary battery including a negative electrode active material; cathode conductive material; and a negative electrode composition comprising a negative electrode binder.
  • the negative electrode active material includes Si and SiO, and the Si:SiO ratio may be 65:35 to 85:15.
  • the negative electrode active material includes Si and SiO, and the Si:SiO ratio is 65:35 to 85:15, preferably 70:30 to 85:15, more preferably 70: A range of 30 to 80:20 may be satisfied.
  • the Si:SiO ratio included in the negative electrode active material satisfies the above ratio, and the negative electrode active material contains more Si than SiO, so the capacity of the negative electrode is very excellent in terms of energy density, and life span as it contains Si This disadvantageous problem is solved according to the concentration gradient in the anode active material layer of SiO as described above.
  • the SiO content increases in a direction from the side facing the negative electrode current collector layer to the opposite side facing the negative electrode current collector layer, and the Si content increases.
  • a negative electrode for a lithium secondary battery having a lowering concentration gradient.
  • the negative electrode active material layer includes a bonding region including a surface facing the negative electrode current collector layer; and a surface area including a surface opposite to a surface facing the negative current collector layer, wherein the weight ratio of Si:SiO in the junction area is 95:5 to 100:0, and in the surface area Provided is a negative electrode for a lithium secondary battery in which the weight ratio of Si:SiO is 5:95 to 0:100.
  • the ratio of Si and SiO in the surface area and junction area can be confirmed through cross-sectional analysis. That is, the ratio can be measured by EDS analysis (energy dispersive spectroscopy) with the image of the cross section of the negative active material layer, distinguishing Si and SiO with peaks of Si and O, and specifying the particles in the image to measure the weight ratio.
  • EDS analysis energy dispersive spectroscopy
  • the bonding region refers to an inner region of the negative active material layer including a surface of the negative active material layer facing the current collector layer.
  • the bonding region may refer to a region having a thickness X1% away from a surface facing the negative electrode current collector layer based on the total thickness of the negative active material layer.
  • the surface region means an inner region of the negative electrode active material layer including a surface opposite to the surface facing the negative electrode current collector layer.
  • the surface area may refer to an area having a thickness X1% away from the opposite side of the side facing the anode current collector layer based on the total thickness of the anode active material layer.
  • the X1 may satisfy a range of 0.1 or more and 10 or less, preferably 1 or more and 5 or less.
  • the surface area and bonding area can be confirmed.
  • the surface region 1-3 is an inner region of the negative electrode active material layer including a surface opposite to the surface facing the negative electrode current collector layer
  • the bonding region 1-1 is the current collector of the negative electrode current collector layer. It can be confirmed that this is an inner region of the negative active material layer including a surface facing the layer.
  • FIG. 4 may be the same as the description of FIG. 3 except that the negative active material layer is provided on both sides of the negative current collector layer.
  • the weight ratio of Si:SiO in the junction region may be 95:5 to 100:0, preferably 97.5:2.5 to 100:0.
  • the weight ratio of Si:SiO in the surface area may be 5:95 to 0:100, preferably 2.5:97.5 to 0:100.
  • the negative electrode active material layer is divided into thirds in a thickness direction, and includes a first active material layer region; a second active material layer region; and a third active material layer region; the first active material layer region is in contact with the negative current collector layer, and the first active material layer region contains 10 parts by weight or less of SiO based on 100 parts by weight of the negative electrode active material. and wherein the third active material layer region contains 80 parts by weight or more of SiO based on 100 parts by weight of the negative electrode active material.
  • the weight ratio of Si:SiO in the first active material layer region may be 95:5 to 100:0, preferably 97.5:2.5 to 100:0.
  • the weight ratio of Si:SiO in the third active material layer region may be 5:95 to 0:100, preferably 2.5:97.5 to 0:100.
  • dividing the negative electrode active material layer into thirds in the thickness direction means virtually dividing the total thickness of the negative electrode active material layer into thirds based on the thickness direction of the negative electrode active material layer. This may mean that all areas are equally divided, but may include some errors.
  • the negative electrode active material layer includes a first active material layer region; a second active material layer region; and the third active material layer region; may mean that the negative active material layer is divided and displayed into sequentially stacked regions including the first active material layer region based on the negative current collector layer.
  • the first active material layer region of the negative electrode active material layer is a region in contact with the negative electrode current collector layer.
  • 10 parts by weight or less of SiO based on 100 parts by weight of the negative active material included in the first active material layer region of the negative active material layer may be included.
  • the amount of SiO based on 100 parts by weight of the negative electrode active material included in the first active material layer region of the negative active material layer is 10 parts by weight or less, preferably 8 parts by weight or less, more preferably 5 parts by weight. It may include 1 part or less, and may include 1 part by weight or more.
  • Si based on 100 parts by weight of the negative active material included in the first active material layer region of the negative active material layer, Si is 90 parts by weight or more, preferably 92 parts by weight or more, more preferably 95 parts by weight or more. It may contain more than 99 parts by weight or less.
  • the negative electrode of the present application does not use two layers of negative electrode active material, but has a concentration gradient of active materials in a single layer of negative electrode active material, and charging and discharging is performed in the first active material layer region where the negative electrode current collector layer and the negative electrode active material layer are in contact.
  • SiO SiO with a small volume expansion according to the above range, it has a feature capable of preventing detachment from the negative electrode current collector layer. That is, compared to the case where the negative electrode active material layer is divided into two layers and used, adhesion with the current collector layer may have an effect of increasing.
  • the second active material layer region of the negative electrode active material layer may mean a region existing between the first active material layer region and the third active material layer region.
  • SiO may be included in an amount of 30 parts by weight or more, preferably 40 parts by weight or more, based on 100 parts by weight of the negative electrode active material included in the second active material layer region of the negative active material layer. may be included in less than
  • the second active material layer is an interface region in which the first negative electrode composition and the second negative electrode composition are mixed according to a wet-on-wet method among manufacturing methods described later, and the content of SiO is By including the part, even if the cycle of the battery is repeated, it has a feature that can solve the non-uniformity of the reaction in the depth direction of the negative electrode.
  • the third active material layer region of the negative electrode active material layer is a region farthest from the negative electrode current collector layer, and may mean an upper region of the second active material layer of the negative electrode active material layer.
  • an anode for a lithium secondary battery comprising 80 parts by weight or more of SiO based on 100 parts by weight of the negative active material included in the third active material layer region of the negative active material layer is provided.
  • SiO is 80 parts by weight or more, preferably 85 parts by weight or more, more preferably 90 parts by weight part or more, and may include 95 parts by weight or less.
  • Si is 20 parts by weight or less, preferably 15 parts by weight or less, more preferably 10 parts by weight. parts by weight or less, and may include 5 parts by weight or more.
  • the reaction non-uniformity in the depth direction of the negative electrode can be resolved even if the cycle of the battery is repeated.
  • a large amount of SiO is provided on the surface of the negative electrode during pre-lithiation, resulting in excellent durability compared to the case where Si is provided.
  • the active material included in the entire negative electrode active material layer includes Si and SiO, and the efficiency of the negative electrode can be maximized with a high ratio of Si, and at the same time, SiO
  • the main object of the present invention is to solve the problem of poor life characteristics when a large amount of Si is included through a concentration gradient.
  • each layer or layer region of the negative electrode active material layer may have a substantially flat surface.
  • the outermost layer of the negative electrode active material layer included therein has a substantially flat surface.
  • the surface of the negative electrode active material layer is continuous and/or uniform over the entire surface area of the negative electrode or uniformly covers a significant portion of the negative electrode current collector layer.
  • the outermost surface layer of the negative electrode may include a surface region of the negative active material layer and/or a third active material layer region of the negative active material layer.
  • the negative electrode active material layer (coated on both surfaces of the negative electrode current collector layer in FIG. 6 ) has a substantially flat surface and uniformly covers a significant portion of the negative electrode.
  • the central portion (white) represents the negative electrode current collector layer, and negative active material layers are formed on both sides.
  • the D50 of the Si is 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less
  • the D50 of the SiO is 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less
  • the Si crystal grain size of the SiO is 100 nm or less. It provides a negative electrode for a lithium secondary battery.
  • the average particle diameter (D50) of the negative electrode active material of the present invention may be 5 ⁇ m to 10 ⁇ m, specifically 5.5 ⁇ m to 8 ⁇ m, and more specifically 6 ⁇ m to 7 ⁇ m.
  • the average particle diameter is within the above range, the viscosity of the negative electrode slurry is formed within an appropriate range, including the specific surface area of the particles within a suitable range. Accordingly, the dispersion of the particles constituting the negative electrode slurry becomes smooth.
  • the contact area between the silicon particles and the conductive material is excellent due to the composite made of the conductive material and the binder in the negative electrode slurry, so that the possibility of continuing the conductive network increases, thereby increasing the capacity retention rate is increased.
  • the average particle diameter satisfies the above range, excessively large silicon particles are excluded to form a smooth surface of the negative electrode, thereby preventing current density non-uniformity during charging and discharging.
  • the Si generally has a characteristic BET surface area.
  • the BET surface area of Si is preferably 0.01 to 150.0 m 2 /g, more preferably 0.1 to 100.0 m 2 /g, particularly preferably 0.2 to 80.0 m 2 /g, most preferably 0.2 to 18.0 m 2 / g. is g.
  • the BET surface area is measured according to DIN 66131 (using nitrogen).
  • Si may exist in a crystalline or amorphous form, for example, and is preferably not porous. Si is preferably a spherical or fragment-shaped particle. Alternatively but less preferably, Si may also have a fibrous structure or be present in the form of a silicon-comprising film or coating.
  • the description of Si may be applied to the SiO except that the Si is in an oxidized state, and the average particle diameter (D50) of the SiO may be 1 ⁇ m to 10 ⁇ m, specifically It may be 5.5 ⁇ m to 8 ⁇ m, and more specifically, it may be 6 ⁇ m to 7 ⁇ m.
  • D50 average particle diameter
  • the Si crystal grain size of the SiO may satisfy 100 nm or less, preferably 90 nm or less, more preferably 80 nm or less, and may be 10 nm or more.
  • the negative electrode active material includes Si and SiO, and may specifically include only the two types.
  • the negative electrode active material may be 60 parts by weight or more based on 100 parts by weight of the negative electrode composition.
  • the negative electrode active material may include 60 parts by weight or more, preferably 65 parts by weight or more, more preferably 70 parts by weight or more, based on 100 parts by weight of the negative electrode composition, and 95 parts by weight or less. , preferably 90 parts by weight or less, more preferably 80 parts by weight or less.
  • the negative electrode composition according to the present application uses a specific conductive material and a binder capable of controlling the volume expansion rate during charging and discharging even when a silicon-based active material having a significantly high capacity is used in the above range, and the performance of the negative electrode even includes the above range It does not degrade and has excellent output characteristics in charging and discharging.
  • the Si and SiO may have a non-spherical shape, and the sphericity is, for example, 0.9 or less, for example, 0.7 to 0.9, for example 0.8 to 0.9, for example 0.85 to 0.85. is 0.9.
  • the circularity (circularity) is determined by the following formula 1, A is the area, P is the boundary line.
  • the negative electrode conductive material is a dotted conductive material; planar conductive material; And it may include one or more selected from the group consisting of a linear conductive material.
  • the dotted conductive material may be used to improve the conductivity of the negative electrode, and refers to a conductive material having conductivity without causing chemical change.
  • the point-shaped conductive material is natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, farnes black, lamp black, thermal black, conductive fiber, fluorocarbon, aluminum powder, nickel powder, zinc oxide, It may be at least one selected from the group consisting of potassium titanate, titanium oxide, and polyphenylene derivatives, and may preferably include carbon black in terms of high conductivity and excellent dispersibility.
  • the point-shaped conductive material may have a BET specific surface area of 40 m 2 /g or more and 70 m 2 /g or less, preferably 45 m 2 /g or more and 65 m 2 /g or less, more preferably 50 m 2 /g or less . /g or more and 60 m 2 /g or less.
  • the particle diameter of the dotted conductive material may be 10 nm to 100 nm, preferably 20 nm to 90 nm, and more preferably 40 nm to 60 nm.
  • the negative electrode conductive material may include a planar conductive material.
  • the planar conductive material may improve conductivity by increasing surface contact between silicon particles in the negative electrode, and at the same time suppress the disconnection of the conductive path due to volume expansion, and may serve as a bulk conductive material or a plate-shaped conductive material. used as an inclusive concept.
  • the planar conductive material may include at least one selected from the group consisting of plate-like graphite, graphene, graphene oxide, and graphite flakes, and preferably may be plate-like graphite.
  • the average particle diameter (D50) of the planar conductive material may be 2 ⁇ m to 7 ⁇ m, specifically 3 ⁇ m to 6 ⁇ m, and more specifically 4 ⁇ m to 5 ⁇ m. .
  • D50 average particle diameter
  • the planar conductive material provides a negative electrode composition in which D10 is 0.5 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less, D50 is 2.5 ⁇ m or more and 3.5 ⁇ m or less, and D90 is 7.0 ⁇ m or more and 15.0 ⁇ m or less.
  • the planar conductive material is a high specific surface area planar conductive material having a high BET specific surface area; Alternatively, a planar conductive material having a low specific surface area may be used.
  • the planar conductive material includes a high specific surface area planar conductive material;
  • a planar conductive material with a low specific surface area can be used without limitation, but in particular, the planar conductive material according to the present application can be affected to some extent in the electrode performance by the dispersion effect, so that a planar conductive material with a low specific surface area that does not cause a problem in dispersion is used. may be particularly desirable.
  • the planar conductive material may have a BET specific surface area of 5 m 2 /g or more.
  • the planar conductive material may have a BET specific surface area of 5 m 2 /g or more and 500 m 2 /g or less, preferably 5 m 2 /g or more and 300 m 2 /g or less, more preferably 5 m 2 /g or more. g or more and 200 m 2 /g or less.
  • the planar conductive material is a high specific surface area planar conductive material, and the BET specific surface area is 50 m 2 /g or more and 500 m 2 /g or less, preferably 80 m 2 /g or more and 300 m 2 /g or less, more preferably Preferably, a range of 100 m 2 /g or more and 300 m 2 /g or less may be satisfied.
  • the planar conductive material is a planar conductive material with a low specific surface area, and the BET specific surface area is 5 m 2 /g or more and 40 m 2 /g or less, preferably 5 m 2 /g or more and 30 m 2 /g or less, more preferably Preferably, a range of 5 m 2 /g or more and 25 m 2 /g or less may be satisfied.
  • Other negative electrode conductive materials may include linear conductive materials such as carbon nanotubes.
  • the carbon nanotubes may be bundled carbon nanotubes.
  • the bundled carbon nanotubes may include a plurality of carbon nanotube units.
  • the term 'bundle type' herein means, unless otherwise specified, a bundle in which a plurality of carbon nanotube units are arranged side by side or entangled in substantially the same orientation with axes in the longitudinal direction of the carbon nanotube units. It refers to a secondary shape in the form of a bundle or rope.
  • the carbon nanotube unit has a graphite sheet having a cylindrical shape with a nano-sized diameter and an sp2 bonding structure.
  • the characteristics of a conductor or a semiconductor may be exhibited according to the angle and structure of the graphite surface being rolled.
  • the bundled carbon nanotubes can be uniformly dispersed during manufacturing of the negative electrode, and the conductivity of the negative electrode can be improved by smoothly forming a conductive network in the negative electrode.
  • the linear conductive material may be SWCNT.
  • the negative electrode conductive material is a planar conductive material; It provides a negative electrode for a lithium secondary battery comprising a; and a linear conductive material.
  • a conductive path can be secured and output characteristics can be improved in the secondary battery of the present invention by including a linear and planar conductive material as the negative electrode conductive material instead of using the point-shaped conductive material as described above.
  • the negative electrode conductive material is provided in an amount of 10 parts by weight or more and 40 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the negative electrode composition.
  • the negative electrode conductive material is 10 parts by weight or more and 40 parts by weight or less, preferably 10 parts by weight or more and 30 parts by weight or less, more preferably 15 parts by weight or more and 25 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode composition. May include the following.
  • the planar conductive material is 90 parts by weight or more and 99.9 parts by weight or less, preferably 93 parts by weight or more and 99.9 parts by weight or less, more preferably 95 parts by weight or more and 99.9 parts by weight or more. It may include parts by weight or less.
  • the linear conductive material is 0.1 parts by weight or more and 10 parts by weight or less, preferably 0.1 parts by weight or more to 7 parts by weight or less, more preferably 0.1 parts by weight or more. to 5 parts by weight or less.
  • the negative electrode conductive material includes a linear conductive material and a planar conductive material, and the linear conductive material:planar conductive material ratio may satisfy 0.01:1 to 0.1:1.
  • the linear conductive material:planar conductive material ratio may satisfy 0.1:1.
  • the negative electrode active material layer has a concentration gradient in which the content of the planar conductive material increases in a direction from a surface facing the negative electrode current collector layer to an opposite surface facing the negative electrode current collector layer A negative electrode for a lithium secondary battery is provided.
  • the negative electrode conductive material includes a linear conductive material and a planar conductive material and satisfies the composition and ratio, respectively, and furthermore, as described above, the planar conductive material has a low content in a direction away from the negative electrode current collector layer. As it loses, it does not significantly affect the lifespan characteristics of existing lithium secondary batteries, and the number of points available for charging and discharging increases, resulting in excellent output characteristics at high C-rates, and the thickness of SiO on the surface of the negative electrode active material layer It has a feature that can secure a little thicker.
  • the negative electrode conductive material according to the present application has a completely different configuration from the conductive material applied to the positive electrode. That is, in the case of the anode conductive material according to the present application, it serves to hold the contact between silicon-based active materials whose volume expansion of the electrode is very large due to charging and discharging. As a role of imparting, its composition and role are completely different from those of the negative electrode conductive material of the present invention.
  • the negative electrode conductive material according to the present application is applied to a silicon-based active material, and has a completely different configuration from that of a conductive material applied to a graphite-based active material. That is, since the conductive material used in the electrode having the graphite-based active material simply has smaller particles than the active material, it has characteristics of improving output characteristics and imparting some conductivity, unlike the negative electrode conductive material applied together with the silicon-based active material as in the present invention. The composition and role are completely different.
  • the planar conductive material used as the negative electrode conductive material described above has a different structure and role from a carbon-based active material generally used as an negative electrode active material.
  • the carbon-based active material used as the negative electrode active material may be artificial graphite or natural graphite, and refers to a material processed into a spherical or dotted shape to facilitate storage and release of lithium ions.
  • the planar conductive material used as the negative electrode conductive material is a material having a planar or plate-shaped shape, and may be expressed as plate-shaped graphite. That is, as a material included to maintain a conductive path in the negative active material layer, it means a material used to secure a conductive path in a planar shape inside the negative active material layer, rather than playing a role in storing and releasing lithium.
  • plate-like graphite is used as a conductive material means that it is processed into a planar or plate-like shape and used as a material that secures a conductive path rather than a role of storing or releasing lithium.
  • the negative active material included together has high capacity characteristics for storing and releasing lithium, and serves to store and release all lithium ions transferred from the positive electrode.
  • a carbon-based active material as an active material means that it is processed into a point shape or sphere and used as a material that stores or releases lithium.
  • artificial graphite or natural graphite which is a carbon-based active material, may satisfy a BET specific surface area of 0.1 m 2 /g or more and 4.5 m 2 /g or less.
  • the plate-like graphite which is a planar conductive material, may have a planar BET specific surface area of 5 m 2 /g or more.
  • the negative electrode binder is polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylidenefluoride, polyacrylonitrile, Polymethylmethacrylate, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, polyacrylic acid, ethylene -Selected from the group consisting of propylene-diene monomer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, polyacrylic acid, and materials in which hydrogen is substituted with Li, Na or Ca, etc. It may include at least one that is, and may also include various copolymers thereof.
  • PVDF-co-HFP polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer
  • the binder according to an exemplary embodiment of the present application serves to hold the negative electrode active material and the negative electrode conductive material in order to prevent distortion and structural deformation of the negative electrode structure in volume expansion and relaxation of the silicon-based active material.
  • All general anode binders may be applied, specifically, a water-based binder may be used, and more specifically, a PAM-based binder may be used.
  • the negative electrode binder may include 30 parts by weight or less, preferably 25 parts by weight or less, more preferably 20 parts by weight or less, and 5 parts by weight or more based on 100 parts by weight of the negative electrode composition. , 10 parts by weight or more.
  • a water-based binder is applied in the above weight part to use a point-type conductive material having a low functional group content. It has a characteristic that the bonding strength is excellent.
  • an anode active material including Si and SiO; cathode conductive material; and applying a first negative electrode composition comprising a negative electrode binder on the negative electrode current collector layer; and forming a negative electrode active material layer by coating a second negative electrode composition containing SiO on the first negative electrode composition, wherein the negative electrode active material 100 included in the first negative electrode composition It contains 60 parts by weight or more of Si based on parts by weight, the weight ratio of Si:SiO of the negative electrode active material layer is 65:35 to 85:15, and the negative electrode active material layer is formed on the side facing the negative electrode current collector layer. Compared to the SiO content, it provides a method for manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery in which the content of SiO on the opposite surface of the surface facing the negative electrode current collector layer is higher.
  • each composition included in the negative electrode may be the same as described above.
  • the step of applying the first negative electrode composition including a negative electrode binder on the negative electrode current collector layer may include applying a first negative electrode slurry by including a solvent for forming the negative electrode slurry in the first negative electrode composition.
  • the step of applying the second negative electrode composition containing SiO on the first negative electrode composition includes applying a second negative electrode slurry by including a solvent for forming negative electrode slurry in the second negative electrode composition steps may be included.
  • the loading amount of the first negative electrode slurry may satisfy a range of at least twice the loading amount of the second negative electrode slurry.
  • the anode active material layer according to the present application may have a weight ratio of Si:SiO of 65:35 to 85:15.
  • the negative electrode slurry may be prepared by including a solvent for forming the negative electrode slurry in the first negative electrode composition and the second negative electrode composition. At this time, the solid content of the negative electrode slurry may satisfy a range of 10% or more and 40% or less.
  • the solid content of the first negative electrode slurry may be formed lower than the solid content of the second negative electrode slurry.
  • the step of applying the second negative electrode composition containing SiO on the first negative electrode composition includes a wet on wet process for manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery.
  • the wet-on-wet process may refer to a process different from wet-on-dry and dry-on-dry in which a next paint is applied before the first paint dries.
  • the step of applying a second negative electrode composition containing SiO on the first negative electrode composition is a wet on wet process so that the negative electrode active material layer according to the present application is formed in a specific It has the characteristic of having a concentration gradient.
  • the step of forming a negative electrode active material layer by applying a second negative electrode composition containing SiO on the first negative electrode composition includes the applied first negative electrode composition and the applied second negative electrode composition. It may be formed through mixing of the interface of the negative electrode composition. At this time, mixing of the interface may be referred to as inter-mixing.
  • a method for manufacturing a negative electrode for a rechargeable lithium battery in which the viscosity of the first negative electrode composition is lower than that of the second negative electrode composition is provided.
  • the viscosity range may be adjusted as described above, and accordingly, the aforementioned concentration gradient may be obtained.
  • FIG. 5 is a diagram showing a laminated structure of a lithium secondary battery according to an exemplary embodiment of the present application.
  • the negative electrode 100 for a lithium secondary battery including the negative electrode active material layer 20 on one surface of the negative electrode current collector layer 10 can be confirmed, and the positive electrode active material layer 40 on one surface of the positive electrode current collector layer 50
  • the positive electrode 200 for a lithium secondary battery including a and the negative electrode 100 for a lithium secondary battery and the positive electrode 200 for a lithium secondary battery are formed in a laminated structure with a separator 30 interposed therebetween.
  • a secondary battery may include the anode for a lithium secondary battery described above.
  • the secondary battery may include a negative electrode, a positive electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte, and the negative electrode is the same as the negative electrode described above. Since the cathode has been described above, a detailed description thereof will be omitted.
  • the cathode may include a cathode current collector layer and a cathode active material layer formed on the cathode current collector layer and including the cathode active material.
  • the positive electrode current collector layer is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and is, for example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel. A surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like may be used.
  • the cathode current collector layer may have a thickness of typically 3 to 500 ⁇ m, and adhesion of the cathode active material may be increased by forming fine irregularities on the surface of the current collector. For example, it may be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics.
  • the cathode active material may be a commonly used cathode active material.
  • the cathode active material may include layered compounds such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or compounds substituted with one or more transition metals; lithium iron oxides such as LiFe 3 O 4 ; lithium manganese oxides such as Li 1+c1 Mn 2-c1 O 4 (0 ⁇ c1 ⁇ 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 ; lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , V 2 O 5 , and Cu 2 V 2 O 7 ; Represented by the formula LiNi 1-c2 M c2 O 2 (where M is at least one selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, and Ga, and satisfies 0.01 ⁇ c2 ⁇ 0.3) Ni site-type lithium nickel oxide; Formula
  • the positive electrode active material layer may include a positive electrode conductive material and a positive electrode binder together with the positive electrode active material described above.
  • the positive electrode conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and in the battery, any material that does not cause chemical change and has electronic conductivity can be used without particular limitation.
  • Specific examples include graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, and carbon fiber; metal powders or metal fibers such as copper, nickel, aluminum, and silver; conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; or conductive polymers such as polyphenylene derivatives, and the like, and one of these may be used alone or in a mixture of two or more.
  • the positive electrode binder serves to improve adhesion between particles of the positive electrode active material and adhesion between the positive electrode active material and the positive current collector layer.
  • specific examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, carboxymethylcellulose (CMC) ), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, or various copolymers thereof, and the like may be used alone or in a mixture of two or more of them.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PVDF-co-HFP vinylidene fluoride-
  • the separator separates the negative electrode and the positive electrode and provides a passage for the movement of lithium ions. If it is normally used as a separator in a secondary battery, it can be used without particular limitation. Excellent is desirable.
  • a porous polymer film for example, a porous polymer film made of polyolefin-based polymers such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer, or these A laminated structure of two or more layers of may be used.
  • porous non-woven fabrics for example, non-woven fabrics made of high-melting glass fibers, polyethylene terephthalate fibers, and the like may be used.
  • a coated separator containing a ceramic component or a polymer material may be used to secure heat resistance or mechanical strength, and may be selectively used in a single-layer or multi-layer structure.
  • electrolyte examples include, but are not limited to, organic liquid electrolytes, inorganic liquid electrolytes, solid polymer electrolytes, gel polymer electrolytes, solid inorganic electrolytes, and molten inorganic electrolytes that can be used in manufacturing a lithium secondary battery.
  • the electrolyte may include a non-aqueous organic solvent and a metal salt.
  • non-aqueous organic solvent for example, N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butyllolactone, 1,2-dimethine Toxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxorane, formamide, dimethylformamide, dioxorane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid Triester, trimethoxy methane, dioxolane derivative, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ether, methyl propionate, propionic acid
  • An aprotic organic solvent such as ethyl may be used.
  • ethylene carbonate and propylene carbonate which are cyclic carbonates
  • an electrolyte having high electrical conductivity can be made and can be used more preferably.
  • the metal salt may be a lithium salt, and the lithium salt is a material that is soluble in the non-aqueous electrolyte.
  • the anion of the lithium salt is F - , Cl - , I - , NO 3 - , N (CN ) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , PF 6 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (CF 3 SO 2 ) 3 C
  • the electrolyte may include, for example, haloalkylene carbonate-based compounds such as difluoroethylene carbonate, pyridine, and triglycerides for the purpose of improving battery life characteristics, suppressing battery capacity decrease, and improving battery discharge capacity.
  • haloalkylene carbonate-based compounds such as difluoroethylene carbonate, pyridine, and triglycerides
  • Ethyl phosphite triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphoric acid triamide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N,N-substituted imida
  • One or more additives such as zolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy ethanol or aluminum trichloride may be further included.
  • One embodiment of the present invention provides a battery module including the secondary battery as a unit cell and a battery pack including the same. Since the battery module and the battery pack include the secondary battery having high capacity, high rate and cycle characteristics, a medium or large-sized device selected from the group consisting of an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, and a power storage system can be used as a power source for
  • Si average particle diameter (D50): 3.5 ⁇ m
  • a first conductive material a second conductive material
  • polyacrylamide as a binder were formed in a weight ratio of 80:9.6:0.4:10 to form a first negative electrode composition
  • a first negative slurry was prepared by adding distilled water as a solvent for forming the negative electrode slurry.
  • the first conductive material was plate-like graphite (specific surface area: 17 m 2 /g, average particle diameter (D50): 3.5 ⁇ m), and the second conductive material was SWCNT.
  • a slurry was prepared by dispersing the first conductive material, the second conductive material, the binder and water at 2500 rpm for 30 min using a homo mixer, and then adding the active material and then dispersing at 2500 rpm for 30 min.
  • a second negative electrode slurry was prepared by the method.
  • the first negative electrode slurry was coated on both sides of a copper current collector (thickness: 8 ⁇ m) as a negative electrode current collector at a loading amount of 94 mg/25 cm 2 , and at the same time, a second negative electrode slurry was coated thereon at a loading amount of 38 mg/25 cm 2 It was coated wet on wet with a loading amount and dried. At this time, the solid content of the first anode slurry was 25%, and the solid content of the second anode slurry was 28%.
  • Si average particle diameter (D50): 3.5 ⁇ m
  • SWCNT silicon-based active material
  • polyacrylamide as a binder were formed in a weight ratio of 89.5: 0.5: 10 to form a first negative electrode composition
  • distilled water was used as a solvent for forming a negative electrode slurry. was added to prepare a first negative electrode slurry.
  • a second negative electrode slurry was prepared in the same manner as in the preparation of the first negative electrode slurry, except that SiO (D50: 6 ⁇ m) as a silicon-based active material, SWCNT as a conductive material, and polyacrylamide as a binder were used in a weight ratio of 84.5: 0.5: 15 produced.
  • the first negative electrode slurry was coated with a loading amount of 94 mg/25 cm 2 on both sides of a copper current collector (thickness: 8 ⁇ m) as a negative electrode current collector, and at the same time, a second slurry was coated thereon with a loading of 38 mg/25 cm 2 It was coated wet on wet in the amount and dried. At this time, the solid content of the first anode slurry was 25%, and the solid content of the second anode slurry was 28%.
  • D50 average particle diameter
  • a slurry was prepared by dispersing the three kinds of conductive materials, binders, and water at 2500 rpm and 30 min using a homomixer, and then adding an active material and then dispersing at 2500 rpm and 30 min.
  • a second negative electrode slurry was prepared in the same manner as the first negative electrode slurry, except that acrylamide was used in a weight ratio of 60:9.5:0.5:10:15.
  • the first negative electrode slurry was coated on both sides of a copper current collector (thickness: 8 ⁇ m) as a negative electrode current collector at a loading amount of 94 mg/25 cm 2 , and at the same time, a second negative electrode slurry was coated thereon at a loading amount of 38 mg/25 cm 2 It was coated wet on wet with a loading amount and dried. At this time, the solid content of the first anode slurry was 25%, and the solid content of the second anode slurry was 28%.
  • Example 1 the first negative electrode slurry was coated with a loading amount of 85 mg/25 cm 2 , and at the same time the second slurry was coated wet on wet with a loading amount of 43 mg/25 cm 2 thereon, except that the above was dried.
  • Example 1 the first negative electrode slurry was coated at a loading amount of 102 mg/25 cm 2 , and at the same time the second slurry was coated wet on wet at a loading amount of 31 mg/25 cm 2 thereon, except for drying.
  • both sides of a copper current collector were coated with the first negative electrode slurry prepared in Example 1 and dried to form a negative electrode active material layer and prepare a negative electrode.
  • both sides of a copper current collector were coated with the second negative electrode slurry prepared in Example 1 and dried to form a negative electrode active material layer and prepare a negative electrode.
  • the second negative electrode slurry prepared in Example 1 was coated on both sides of a copper current collector (thickness: 8 ⁇ m) at a loading amount of 38 mg / 25 cm 2 , and at the same time, the second negative electrode slurry prepared in Example 1 was coated thereon.
  • a negative electrode was manufactured by forming a negative electrode active material layer in the same manner as in Example 1, except that the negative electrode slurry was coated wet on wet with a loading amount of 94 mg/25 cm 2 and dried.
  • the first negative electrode slurry prepared in Example 1 was coated on both sides of a copper current collector (thickness: 8 ⁇ m) at a loading amount of 63 mg / 25 cm 2 , and at the same time, the first negative electrode slurry prepared in Example 1 was coated thereon
  • a negative electrode was manufactured by forming a negative electrode active material layer in the same manner as in Example 1, except that the negative electrode slurry was coated wet on wet with a loading amount of 77 mg/25 cm 2 and dried.
  • the first negative electrode slurry prepared in Example 1 was coated on both sides of a copper current collector (thickness: 8 ⁇ m) at a loading amount of 120 mg / 25 cm 2 , and at the same time, the first negative electrode slurry prepared in Example 1 was coated thereon.
  • a negative electrode was manufactured by forming a negative electrode active material layer in the same manner as in Example 1, except that the negative electrode slurry was coated wet on wet with a loading amount of 22 mg/25 cm 2 and dried.
  • Example 1 Example 2 Example 3
  • Example 4 Example 5 Comparative Example 1 Comparative Example 2 Comparative Example 3 Comparative Example 4 Comparative Example 5 Cell energy density 870Wh/L 910Wh/L 850Wh/L 820Wh/L 962Wh/L 950Wh/L 480Wh/L 870Wh/L 780Wh/L 976Wh/L
  • Initial capacity (based on 4.2 ⁇ 3.0V) 121mAh 122mAh 121mAh 120mAh 125mAh 123mAh 120mAh 113mAh 118mAh 127mAh
  • Lifetime performance @300cycle
  • 85% 83% 84% 89% 83% 78% 92% 75%
  • the negative electrode active material includes a specific content of Si and SiO, so that the capacity of the negative electrode can be maximized.
  • the negative electrode active material layer has a higher SiO content on the opposite side of the side facing the negative electrode current collector layer than the SiO content on the side facing the negative electrode current collector layer.
  • Comparative Example 1 100% Si was applied as an anode active material, and the energy density (cell energy density) was formed high and the initial capacity was high, but the life performance deteriorated due to the reaction concentration on the surface of the Si active material layer during charging and discharging. , it was confirmed that the increase in discharge resistance was also high.
  • Comparative Example 3 unlike Example 1, the Si ratio of the surface (surface area) of the negative electrode active material layer is high, and the energy density is the same, but SiO having a lower reactivity with Li than Si is disposed on the side of the negative electrode current collector It did not participate in the actual reaction, but rather showed the effect of deepening the depth of use of Si, and it was confirmed that the durability due to the non-uniform reaction was lowered. Likewise, during pre-lithiation, a large amount of Si is provided on the surface of the negative electrode, and compared to the case where SiO is provided, it can be expected that the surface degradation occurs rapidly and the lifetime durability is lowered.
  • Example 1 includes two types of linear conductive material and planar conductive material, including one type of conductive material or three types of conductive material.
  • the initial capacity showed the same level, but the life performance was excellent, and the discharge resistance-related effect was excellent. This is because it does not significantly affect the lifespan characteristics of existing lithium secondary batteries, and has excellent output characteristics at high C-rates because there are many charging and discharging points.
  • the negative electrode for a lithium secondary battery according to an exemplary embodiment of the present invention satisfies the Si:SiO ratio included in the negative electrode active material from 65:35 to 85:15. there is. That is, while using a single-layer negative active material layer, Si and SiO are included in the above weight ratio to maximize capacity characteristics, and the problem of lifespan due to electrode surface degradation is solved by adding SiO to the negative electrode through the concentration gradient of the negative electrode active material layer. It was confirmed that the capacity and lifespan characteristics of the lithium secondary battery including the electrode were enhanced by minimizing the Si content on the surface of the active material layer to enhance durability of the electrode.

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Abstract

본 출원은 음극 조성물, 이를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극, 음극을 포함하는 리튬 이차 전지 및 음극 조성물의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

리튬 이차 전지용 음극, 음극을 포함하는 리튬 이차 전지 및 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법
본 출원은 2021년 10월 22일 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2021-0142046호 및 2022년 01월 19일 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2022-0007656호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 출원은 리튬 이차 전지용 음극, 음극을 포함하는 리튬 이차 전지 및 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학 반응을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차 전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 이차 전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지며, 사이클 수명이 길고, 자기방전율이 낮은 리튬 이차 전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다. 또, 이 같은 고용량 리튬 이차 전지용 전극으로서, 단위 체적 당 에너지 밀도가 더 높은 고밀도 전극을 제조하기 위한 방법에 대해 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반적으로 이차 전지는 양극, 음극, 전해질 및 분리막으로 구성된다. 음극은 양극으로부터 나온 리튬 이온을 삽입하고 탈리시키는 음극 활물질을 포함하며, 상기 음극 활물질로는 방전 용량이 큰 실리콘계 입자가 사용될 수 있다.
특히 최근 고 밀도 에너지 전지에 대한 수요에 따라, 음극 활물질로서, 흑연계 소재 대비 용량이 10배 이상 큰 Si/C나 SiOx와 같은 실리콘계 화합물을 함께 사용하여 용량을 늘리는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 고용량 소재인 실리콘계 화합물의 경우, 기존에 사용되는 흑연과 비교할 때, 용량이 큰 물질로 용량 특성 자체는 우수하나, 충전 과정에서 급격하게 부피가 팽창하여 도전 경로를 단절시켜 전지 특성을 저하되고, 이에 따라 초반부터 용량이 떨어진다.
또한 실리콘계 음극은 충전 및 방전 사이클 반복시 음극의 깊이 방향으로 리튬 이온의 균일한 충전이 이루어지지 않고, 충전 및 방전시 표면에 있는 실리콘계 활물질이 먼저 퇴화되어 Pulveration이 발생되고, 전지의 사이클이 진행될수록 음극의 깊이 방향으로 반응의 불균일성이 심화되며, 이러한 변화가 실리콘계 활물질 적용 전극의 수명 성능을 급격히 열화시키고 있다. 즉, Si활물질을 사용하는 전극은 SiO를 사용하는 전극, 탄소계 활물질을 사용하는 전극에 비하여 용량 특성이 우수하게 된다. 다만, Si 활물질을 사용하는 전극은 충/방전 진행시 Li 이온과 빠른 반응으로 인해 표면부에서의 전극 퇴화 현상이 집중 발생된다. 즉, Li 이온과 실리콘 입자의 반응 불균일성에 의해 표면에서만 주로 반응이 이루어지는 문제가 발생하고 있으며 따라서, 음극 깊이 방향으로 반응이 고르게 이루어지지 않아 표면부 퇴화로 수명성능 떨어지는 결과를 초래하였다.
이에, 실리콘계 화합물을 음극 활물질로서 사용할 때의 문제점을 해소하기 위하여 구동 전위를 조절시키는 방안, 추가적으로 활물질층 상에 박막을 더 코팅하는 방법, 실리콘계 화합물의 입경을 조절하는 방법과 같은 부피 팽창 자체를 억제시키는 방안 혹은 도전 경로가 단절되는 것을 방지하기 위한 다양한 방안 등이 논의되고 있지만, 상기 방안들의 경우, 되려 전지의 성능을 저하시킬 수 있으므로, 적용에 한계가 있어, 여전히 실리콘계 화합물의 함량이 높은 음극 전지 제조의 상용화에는 한계가 있다.
따라서, 상기와 같은 문제 해결을 위하여, 실리콘계 음극에서 표면부와 깊이 방향으로의 내부의 반응의 불균일성을 해소하여 실리콘계 음극의 수명 성능을 향상시키기 위한 연구가 진행중에 있다.
<선행문헌>
(특허문헌 1) 일본 공개특허공보 제2009-080971호
본 출원은 실리콘계 활물질을 음극에 사용하여 용량을 극대화시킴과 동시에, 용량 저하에 문제를 발생시키지 않으면서도 기존의 문제점인 충전 및 방전 사이클 진행시 전극 표면 퇴화를 방지할 수 있는 리튬 이차 전지용 음극, 음극을 포함하는 리튬 이차 전지 및 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법에 관한 것이다.
본 명세서의 일 실시상태는 음극 집전체층; 및 상기 음극 집전체층의 일면에 구비된 음극 활물질층을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극으로, 상기 음극 활물질층은 음극 활물질; 음극 도전재; 및 음극 바인더를 포함하는 음극 조성물을 포함하고, 상기 음극 활물질은 Si 및 SiO 를 포함하며, 상기 Si:SiO의 중량 비율이 65:35 내지 85:15이고, 상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체층에 대향하는 면에서의 SiO 함량에 비하여, 상기 음극 집전체층에 대향하는 면의 반대면에서의 SiO의 함량이 더 높은 것인 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, Si 및 SiO를 포함하는 음극 활물질; 음극 도전재; 및 음극 바인더;를 포함하는 제1 음극 조성물을 음극 집전체층 상에 도포하는 단계; 및 상기 제1 음극 조성물 상에 SiO를 포함하는 제2 음극 조성물을 도포하여 음극 활물질층을 형성하는 단계;를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법으로, 상기 제1 음극 조성물에 포함되는 음극 활물질 100 중량부 기준 상기 Si 를 60 중량부 이상 포함하며, 상기 음극 활물질층의 Si:SiO의 중량 비율이 65:35 내지 85:15이고, 상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체층에 대향하는 면에서의 SiO 함량에 비하여, 상기 음극 집전체층에 대향하는 면의 반대면에서의 SiO의 함량이 더 높은 것인 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법을 제공한다.
이 때, 상기 제1 음극 조성물은 음극 집전체층 상에 도포되고, 상기 제2 음극 조성물은 상기 제1 음극 조성물 상에 도포된다. 이 때 웨트 온 웨트(Wet on wet) 또는 웨트 온 드라이(wet on dry) 공정이 모두 포함될 수 있다. 구체적으로 웨트 온 웨트(Wet on wet) 공정은, 제2 음극 조성물이 제1 음극 조성물 자체가 여전히 습윤(즉, 건조되지 않음)되어 있는 동안 제1 음극 조성물 상부에 적용되는 것을 의미한다. 또한 웨트 온 드라이(Wet on dry) 공정은, 제2 음극 조성물이 제1 음극 조성물 자체가 완전히 건조되고 완전 건조된 제1 음극 조성물 상부에 적용되는 것을 의미한다
마지막으로, 양극; 본 출원에 따른 리튬 이차 전지용 음극; 상기 양극과 상기 음극 사이에 구비된 분리막; 및 전해질;을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 경우, 음극 활물질은 Si 및 SiO를 포함하고, 상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체층에 대향하는 면에서의 SiO 함량에 비하여, 상기 음극 집전체층에 대향하는 면의 반대면에서의 SiO의 함량이 더 높은 것을 특징으로 한다. 이에 따라 음극의 최표면에 Si보다 반응 내구성이 우수한 SiO가 많이 분포하도록 하여, 전지의 충전 및 방전의 사이클이 반복되어도 음극 깊이 방향으로의 반응 불균일성을 해소할 수 있는 특징을 갖게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 경우, 음극 활물질에 포함되는 Si:SiO 의 비율이 65:35 내지 85:15를 만족하는 것이다. 본 출원에 따른 음극은 Si를 SiO에 비하여 최적의 비율로 포함하여 에너지 밀도 측면에서 음극의 용량 특성이 매우 우수하며, Si를 포함함에 따라 반응 불균일성에 따른 수명이 좋지 않은 문제점을 상기와 같은 SiO의 음극 활물질층 내에서의 농도 구배에 따라 해결한 특징을 갖게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시상태에 따른 리튬 이차 전지용 음극은 음극 활물질층을 2층으로 사용하는 것이 아닌, 단층의 음극 활물질층 내에 활물질의 농도 구배를 이룬 것이다. 이에 따라 음극 집전체층과 음극 활물질층이 접하는 면에도 상대적으로 충방전에 따른 부피 팽창이 적은 Si를 소량 포함하여, 음극 집전체층과의 탈리 현상을 방지할 수 있는 특징을 갖게 된다.
도 1은 본 출원의 일 실시상태에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 적층 구조를 나타낸 도이다.
도 2는 본 출원의 일 실시상태에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 적층 구조를 나타낸 도이다.
도 3은 본 출원의 일 실시상태에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 적층 구조를 나타낸 도이다.
도 4는 본 출원의 일 실시상태에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 적층 구조를 나타낸 도이다.
도 5는 본 출원의 일 실시상태에 따른 리튬 이차 전지의 적층 구조를 나타낸 도이다.
도 6은 본 출원에 따른 음극 집전체층의 양면에 음극 활물질층이 형성된 음극 단면을 나타내는 SEM 사진이다.
본 발명을 설명하기에 앞서, 우선 몇몇 용어를 정의한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 'p 내지 q'는 'p 이상 q 이하'의 범위를 의미한다.
본 명세서에 있어서, "비표면적"은 BET법에 의해 측정한 것으로서, 구체적으로는 BEL Japan사의 BELSORP-mino II를 이용하여 액체 질소 온도 하(77K)에서의 질소가스 흡착량으로부터 산출된 것이다. 즉 본 출원에 있어서 BET 비표면적은 상기 측정 방법으로 측정된 비표면적을 의미할 수 있다.
본 명세서에 있어서, "Dn"은 입경 분포를 의미하며, 입경에 따른 입자 개수 누적 분포의 n% 지점에서의 입경을 의미한다. 즉, D50은 입경에 따른 입자 개수 누적 분포의 50% 지점에서의 입경(평균 입경)이며, D90은 입경에 따른 입자 개수 누적 분포의 90% 지점에서의 입경을, D10은 입경에 따른 입자 개수 누적 분포의 10% 지점에서의 입경이다. 한편, 입경 분포는 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 구체적으로, 측정 대상 분말을 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(예를 들어 Microtrac S3500)에 도입하여 입자들이 레이저빔을 통과할 때 입자 크기에 따른 회절패턴 차이를 측정하여 입도 분포를 산출한다.
본 명세서에 있어서, 중합체가 어떤 단량체를 단량체 단위로 포함한다는 의미는 그 단량체가 중합 반응에 참여하여 중합체 내에서 반복 단위로서 포함되는 것을 의미한다. 본 명세서에 있어서, 중합체가 단량체를 포함한다고 할 때, 이는 중합체가 단량체를 단량체 단위로 포함한다는 것과 동일하게 해석되는 것이다.
본 명세서에 있어서, '중합체'라 함은 '단독 중합체'라고 명시되지 않는 한 공중합체를 포함한 광의의 의미로 사용된 것으로 이해한다.
본 명세서에 있어서, 중량 평균 분자량(Mw) 및 수평균 분자량(Mn)은 분자량 측정용으로 시판되고 있는 다양한 중합도의 단분산 폴리스티렌 중합체(표준 시료)를 표준물질로 하고, 겔 투과 크로마토그래피(Gel Permeation Chromatography; GPC)에 의해 측정한 폴리스티렌 환산 분자량이다. 본 명세서에 있어서, 분자량이란 특별한 기재가 없는 한 중량 평균 분자량을 의미한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하의 설명에 한정되지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태는 음극 집전체층; 및 상기 음극 집전체층의 일면에 구비된 음극 활물질층을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극으로, 상기 음극 활물질층은 음극 활물질; 음극 도전재; 및 음극 바인더를 포함하는 음극 조성물을 포함하고, 상기 음극 활물질은 Si 및 SiO를 포함하며, 상기 Si:SiO의 중량 비율이 65:35 내지 85:15이고, 상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체층에 대향하는 면에서의 SiO 함량에 비하여, 상기 음극 집전체층에 대향하는 면의 반대면에서의 SiO의 함량이 더 높은 것인 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체층에 대향하는 면으로부터, 상기 음극 집전체층에 대향하는 반대면의 방향으로, 상기 SiO의 함량이 높아지는 농도 구배를 갖는 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 경우, 음극 활물질은 Si 및 SiO를 포함하고, 상기 음극 활물질층은 상기와 같은 농도 구배를 갖는다. 이에 따라 음극 활물질층의 표면으로 갈수록 상기 Si의 함량이 낮아져, 음극의 최표면에 Si보다 반응 내구성이 우수한 SiO 가 많이 분포하도록 하여, 전지의 사이클이 반복되어도 음극 깊이 방향으로의 반응 불균일성을 해소할 수 있는 것을 주된 특징으로 한다.
즉, 본 출원에 따른 음극 활물질층은 단층의 음극 활물질층을 사용하면서도, 용량 특성을 극대화하기 위해 Si와 SiO를 상기 중량 비율로 포함하고, 또한 전극 표면 퇴화에 따른 수명 특성의 문제를 SiO를 음극 활물질층의 농도구배를 통하여 음극 활물질층 표면부의 Si의 함량부를 최소화하여 내구성을 강화한 것을 본 발명의 주된 목적으로 한다.
도 1은 본 출원의 일 실시상태에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 적층 구조를 나타낸 도이다. 구체적으로, 음극 집전체층(10)의 일면에 음극 활물질층(20)을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극(100)을 확인할 수 있으며, 도 1은 음극 활물질층이 일면에 형성된 것을 나타내나, 음극 집전체층의 양면에 포함할 수 있다.
본 출원에 있어서, 상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체층의 양면에 구비된 것인 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다.
구체적으로 도 2는 본 출원의 일 실시상태에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 적층 구조를 나타낸 도이다. 전술한 바와 같이 음극 집전체층의 양면에 음극 활물질층이 포함되는 것으로, 음극 집전체층(10)의 양면에 음극 활물질층(20)을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극(100)을 확인할 수 있다. 실질적으로 도 1과 같이 단면에 코팅하는 경우는 드물고, 도 2와 같이 음극 집전체층의 양면에 활물질층을 코팅하여 사용할 수 있다. 이 때, 본원 발명의 음극 조성물이 집전체층의 적어도 한면에 포함되면 음극의 제조가 가능하다. 즉, 양면 코팅되는 활물질층의 조성은 서로 동일하거나 상이할 수 있으며, 조성이 상이한 경우, 탄소계, 실리콘계 등의 일반적으로 사용되는 활물질층이 사용될 수 있고, 가장 바람직하게는 양면에 본 출원에 따른 음극 조성물을 포함하는 음극 활물질층이 코팅되는 것이다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 집전체층은 일반적으로 1㎛ 내지 100㎛의 두께를 가진다. 이러한 음극 집전체층은, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 집전체층의 두께는 1μm 이상 100μm 이하이며, 상기 음극 활물질층의 두께는 20μm 이상 500μm 이하인 것인 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다. 이 범위는 음극 집전체층의 한쪽 면에 음극 활물질층과 음극 집전체층의 양면에 음극 활물질층을 모두 포함한다.
다만, 두께는 사용되는 음극의 종류 및 용도에 따라 다양하게 변형할 수 있으며 이에 한정되지 않는다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 집전체층의 일면에 구비된 음극 활물질층;을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극으로, 상기 음극 활물질층은 음극 활물질; 음극 도전재; 및 음극 바인더;를 포함하는 음극 조성물을 포함한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질은 Si 및 SiO 를 포함하며, 상기 Si:SiO 비율이 65:35 내지 85:15일 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질은 Si 및 SiO를 포함하며, 상기 Si:SiO 비율이 65:35 내지 85:15, 바람직하게는 70:30 내지 85:15, 더욱 바람직하게는 70:30 내지 80:20의 범위를 만족할 수 있다.
상기와 같이 음극 활물질에 포함되는 Si:SiO 비율이 상기 비율을 만족하는 것으로, 상기 음극 활물질은 Si를 SiO에 비하여 많이 포함하여 에너지 밀도 측면에서 음극의 용량이 매우 우수하며, Si를 포함함에 따라 수명이 좋지 않은 문제점을 상기와 같은 SiO의 음극 활물질층 내에서의 농도 구배에 따라 해결한 특징을 갖게 된다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체층에 대향하는 면으로부터, 상기 음극 집전체층에 대향하는 반대면의 방향으로, 상기 SiO의 함량이 높아지고, 상기 Si의 함량이 낮아지는 농도 구배를 갖는 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체층과 대향하는 면을 포함하는 접합 영역; 및 상기 음극 집전체층에 대향하는 면의 반대면을 포함하는 표면 영역;을 포함하며, 상기 접합 영역에서의 상기 Si:SiO의 중량 비율이 95:5 내지 100:0이고, 상기 표면 영역에서의 상기 Si:SiO의 중량 비율이 5:95 내지 0:100인 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다.
상기 표면 영역 및 접합 영역에서의 Si 및 SiO의 비율은 단면 분석을 통하여 확인할 수 있다. 즉, 상기 비율은 상기 음극 활물질층 단면의 이미지로 EDS 분석(Energy dispersive spectroscopy)을 진행하여 Si와 O의 peak로 Si와 SiO를 각각 구별하고, 이미지 내 입자를 특정하여 상기의 중량 비율을 측정할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 접합 영역은 음극 활물질층의 상기 집전체층과 대향하는 면을 포함하는 음극 활물질층의 내부 영역을 의미한다. 이 때 상기 접합 영역은 상기 음극 활물질층 전체 두께 기준 상기 음극 집전체층과 대향하는 면으로부터 X1% 떨어진 두께를 갖는 영역을 의미할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면 영역은 상기 음극 집전체층에 대향하는 면의 반대면을 포함하는 음극 활물질층의 내부 영역을 의미한다. 이 때 상기 표면 영역은 상기 음극 활물질층 전체 두께 기준 상기 음극 집전체층에 대향하는 면의 반대면으로부터 X1% 떨어진 두께를 갖는 영역을 의미할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 X1은 0.1 이상 10 이하, 바람직하게는 1 이상 5 이하의 범위를 만족할 수 있다.
도 3에서 상기 표면 영역 및 접합 영역을 확인할 수 있다. 구체적으로 상기 표면 영역(1-3)은 상기 음극 집전체층에 대향하는 면의 반대면을 포함하는 음극 활물질층의 내부 영역이고, 상기 접합 영역(1-1)은 음극 활물질층의 상기 집전체층과 대향하는 면을 포함하는 음극 활물질층의 내부 영역임을 확인할 수 있다.
또한 도 4는 음극 집전체층의 양면에 음극 활물질층을 갖는 것을 제외하고, 상기 도 3의 설명과 동일할 수 있다.
일 예시로, 상기 음극 활물질층 전체 두께가 100μm인 경우, 상기 접합 영역은 상기 음극 집전체층과 대향하는 면으로부터 5μm 떨어진 두께까지의 영역(X1=5%)을 의미할 수 있다.
일 예시로, 상기 음극 활물질층 전체 두께가 100μm인 경우, 상기 표면 영역은 상기 음극 집전체층에 대향하는 면의 반대면으로부터 5μm 떨어진 두께(X1=5%)까지의 영역을 의미할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 접합 영역에서의 상기 Si:SiO의 중량 비율이 95:5 내지 100:0이고, 바람직하게는 97.5:2.5 내지 100:0일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 표면 영역에서의 상기 Si:SiO의 중량 비율이 5:95 내지 0:100이고, 바람직하게는 2.5:97.5 내지 0:100일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층은 두께 방향으로 3등분하여, 제1 활물질층 영역; 제2 활물질층 영역; 및 제3 활물질층 영역;으로 순차적으로 나누어 표시되며, 상기 제1 활물질층 영역이 상기 음극 집전체층과 접하고, 상기 제1 활물질층 영역은 상기 음극 활물질 100 중량부 기준 SiO를 10 중량부 이하로 포함하고, 상기 제3 활물질층 영역은 상기 음극 활물질 100 중량부 기준 SiO를 80 중량부 이상 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 활물질층 영역에서의 Si:SiO의 중량 비율이 95:5 내지 100:0이고, 바람직하게는 97.5:2.5 내지 100:0일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 제3 활물질층 영역에서의 상기 Si:SiO의 중량 비율이 5:95 내지 0:100이고, 바람직하게는 2.5:97.5 내지 0:100일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층을 두께 방향으로 3등분 한다는 것은 상기 음극 활물질층의 두께 방향 기준, 음극 활물질층의 전체 두께를 가상으로 3등분 한 것으로, 상기 등분한다는 것은 나누어지는 영역이 모두 동일하게 나눠지는 것을 의미할 수 있으나, 일부의 오차를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층이 제1 활물질층 영역; 제2 활물질층 영역; 및 제3 활물질층 영역;으로 순차적으로 나누어 표시된다는 것은, 상기 음극 활물질층이 음극 집전체층을 기준으로 제1 활물질층 영역을 포함하여 순차적으로 적층된 영역으로 나누어 표시됨을 의미할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층 중 상기 제1 활물질층 영역은 상기 음극 집전체층과 접하는 영역이다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층 중 상기 제1 활물질층 영역에 포함되는 상기 음극 활물질 100 중량부 기준 SiO는 10 중량부 이하로 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층 중 상기 제1 활물질층 영역에 포함되는 상기 음극 활물질 100 중량부 기준 SiO는 10 중량부 이하, 바람직하게는 8 중량부 이하, 더욱 바람직하게는 5 중량부 이하를 포함할 수 있으며, 1 중량부 이상을 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층 중 상기 제1 활물질층 영역에 포함되는 상기 음극 활물질 100 중량부 기준 Si는 90 중량부 이상, 바람직하게는 92 중량부 이상, 더욱 바람직하게는 95 중량부 이상을 포함할 수 있으며, 99 중량부 이하를 포함할 수 있다.
본 출원의 음극은 음극 활물질층을 2층으로 사용하는 것이 아닌, 단층의 음극 활물질층 내에 활물질의 농도 구배를 이룬 것으로, 음극 집전체층과 음극 활물질층이 접하는 상기 제1 활물질층 영역에 충방전에 따른 부피 팽창이 적은 SiO를 상기 범위로 포함하여, 음극 집전체층과의 탈리 현상을 방지할 수 있는 특징을 갖게 된다. 즉, 음극 활물질층을 2층으로 구분하여 사용하는 경우에 비하여 집전체층과의 부착력이 증진되는 효과를 가질 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층 중 상기 제2 활물질층 영역은 상기 제1 활물질층 영역과 상기 제3 활물질층 영역의 사이에 존재하는 영역을 의미할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층 중 상기 제2 활물질층 영역에 포함되는 상기 음극 활물질 100 중량부 기준 SiO는 30 중량부 이상 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층 중 상기 제2 활물질층 영역에 포함되는 상기 음극 활물질 100 중량부 기준 SiO는 30 중량부 이상, 바람직하게는 40 중량부 이상 포함할 수 있으며, 50 중량부 이하로 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 활물질층은 후술하는 제조 방법 중 웨트 온 웨트 방식에 따라 제1 음극 조성물 및 제2 음극 조성물이 혼합(mixing)되는 계면 영역으로, 상기 SiO를 상기 함량부 포함함에 따라 전지의 사이클이 반복되어도 음극 깊이 방향으로의 반응 불균일성을 해소할 수 있는 특징을 갖게 된다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층 중 상기 제3 활물질층 영역은 상기 음극 집전체층과 가장 먼 방향의 영역으로, 상기 음극 활물질층 중 상기 제2 활물질층 상부의 영역을 의미할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층 중 상기 제3 활물질층 영역에 포함되는 상기 음극 활물질 100 중량부 기준 SiO는 80 중량부 이상 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층 중 상기 제3 활물질층 영역에 포함되는 상기 음극 활물질 100 중량부 기준 SiO는 80 중량부 이상, 바람직하게는 85 중량부 이상, 더욱 바람직하게는 90 중량부 이상을 포함할 수 있으며, 95 중량부 이하를 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층 중 상기 제3 활물질층 영역에 포함되는 상기 음극 활물질 100 중량부 기준 Si는 20 중량부 이하, 바람직하게는 15 중량부 이하, 더욱 바람직하게는 10 중량부 이하를 포함할 수 있으며, 5 중량부 이상을 포함할 수 있다.
상기와 같이 제3 활물질층 영역의 최표면에 Si보다 반응 내구성이 우수한 SiO를 상기 함량부 분포하도록 하여, 전지의 사이클이 반복되어도 음극 깊이 방향으로의 반응 불균일성을 해소할 수 있는 특징을 갖게 되며, 추가로 실리콘계 음극 사용에서 전리튬화(pre-lithiation)시 음극의 표면에 SiO가 다량 구비되어 Si가 구비되는 경우에 비하여 내구성이 우수한 특징을 갖게 된다.
즉, 본 출원의 일 실시상태에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 경우 음극 활물질층 전체에 포함되는 활물질이 Si 및 SiO를 포함하며, Si의 비율이 높아 음극의 효율을 극대화할 수 있음과 동시에, SiO의 농도 구배를 통하여 Si가 다량 포함되는 경우의 수명 특성이 좋지 못한 문제를 해결한 것을 본 발명의 주된 목적으로 한다.
일 구현예에서, 음극 활물질층의 각 층 또는 층 영역은 실질적으로 평탄한 표면을 가질 수 있다. 이에 포함되는 음극 활물질층의 최표면층은 실질적으로 평탄한 표면을 갖는다. 음극 활물질층의 표면은 연속적 및/또는 음극의 전체 표면적에 걸쳐 균일하거나 음극 집전체층의 상당 부분을 균일하게 덮는다. 음극의 최외각 표면층은 음극 활물질층의 표면 영역 및/또는 음극 활물질층의 제3 활물질층 영역을 포함할 수 있다.
도 6의 SEM 이미지에 도시된 바와 같이, 음극 활물질층(도 6에서 음극 집전체층의 양면에 코팅됨)은 실질적으로 평탄한 표면을 가지며 음극의 상당 부분을 균일하게 덮고 있다. 도 6에서 중앙부(백색)는 음극 집전체층을 나타내고, 음극 활물질층이 양면에 형성되어 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 Si의 D50은 1μm 이상 10μm 이하이며, 상기 SiO 의 D50은 1μm 이상 10μm 이하이며, 상기 SiO 의 Si 결정립 크기가 100nm 이하인 것인 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다.
한편, 본원 발명의 상기 음극 활물질의 평균 입경(D50)은 5㎛ 내지 10㎛일 수 있으며, 구체적으로 5.5㎛ 내지 8㎛일 수 있고, 보다 구체적으로 6㎛ 내지 7㎛일 수 있다. 상기 평균 입경이 상기 범위에 포함되는 경우, 입자의 비표면적이 적합한 범위로 포함하여, 음극 슬러리의 점도가 적정 범위로 형성 된다. 이에 따라, 음극 슬러리를 구성하는 입자들의 분산이 원활하게 된다. 또한, 실리콘계 활물질의 크기가 상기 하한값의 범위 이상의 값을 갖는 것으로, 음극 슬러리 내에서 도전재와 바인더로 이루어진 복합체에 의해 실리콘 입자, 도전재들의 접촉 면적이 우수하여, 도전 네트워크가 지속될 가능성이 높아져서 용량 유지율이 증가된다. 한편, 상기 평균 입경이 상기 범위를 만족하는 경우, 지나치게 큰 실리콘 입자들이 배제되어 음극의 표면이 매끄럽게 형성되며, 이에 따라 충방전 시 전류 밀도 불균일 현상을 방지할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 Si는 일반적으로 특징적인 BET 표면적을 갖는다. Si의 BET 표면적은 바람직하게는 0.01 내지 150.0 m2/g, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 100.0 m2/g, 특히 바람직하게는 0.2 내지 80.0 m2/g, 가장 바람직하게는 0.2 내지 18.0 m2/g이다. BET 표면적은 (질소를 사용하여) DIN 66131에 따라 측정된다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, Si는 예컨대 결정 또는 비정질 형태로 존재할 수 있으며, 바람직하게는 다공성이 아니다. Si는 바람직하게는 구형 또는 파편형 입자이다. 대안으로서 그러나 덜 바람직하게는, Si는 또한 섬유 구조를 가지거나 또는 규소 포함 필름 또는 코팅의 형태로 존재할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 SiO는 상기 Si가 산화된 상태인 것을 제외하고 상기 Si의 설명이 적용될 수 있으며, 상기 SiO의 평균 입경(D50)은 1㎛ 내지 10㎛일 수 있으며, 구체적으로 5.5㎛ 내지 8㎛일 수 있고, 보다 구체적으로 6㎛ 내지 7㎛일 수 있다.
또한, 상기 SiO의 Si 결정립 크기가 100nm 이하, 바람직하게는 90nm 이하, 더욱 바람직하게는 80nm 이하를 만족할 수 있으며, 10nm 이상일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질은 Si 및 SiO를 포함하며, 구체적으로 상기 2종만을 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질은 상기 음극 조성물 100 중량부 기준 60 중량부 이상일 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질은 상기 음극 조성물 100 중량부 기준 60 중량부 이상, 바람직하게는 65 중량부 이상, 더욱 바람직하게는 70 중량부 이상을 포함할 수 있으며, 95 중량부 이하, 바람직하게는 90 중량부 이하, 더욱 바람직하게는 80 중량부 이하를 포함할 수 있다.
본 출원에 따른 음극 조성물은 용량이 현저히 높은 실리콘계 활물질을 상기 범위로 사용하여도 충방전 과정에서 부피 팽창율을 잡아줄 수 있는 특정의 도전재 및 바인더를 사용하여, 상기 범위를 포함하여도 음극의 성능을 저하시키지 않으며 충전 및 방전에서의 출력 특성이 우수한 특징을 갖게 된다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 Si 및 SiO는 비구형 형태를 가질 수 있고 그 구형도는 예를 들어 0.9 이하, 예를 들어 0.7 내지 0.9, 예를 들어 0.8 내지 0.9, 예를 들어 0.85 내지 0.9이다.
본 출원에 있어서, 상기 구형도(circularity)는 하기 식 1로 결정되며, A는 면적이고, P는 경계선이다.
[식 1]
4πA/P2
종래에는 음극 활물질로서 흑연계 화합물만을 사용하는 것이 일반적이었으나, 최근에는 고용량 전지에 대한 수요가 높아짐에 따라, 용량을 높이기 위하여 실리콘계 화합물을 혼합하여 사용하려는 시도가 늘어나고 있다. 다만, 실리콘계 화합물의 경우, 충/방전 과정에서 부피가 급격하게 팽창하여, 음극 활물질 층 내에 형성된 도전 경로를 훼손시켜 전지의 성능을 되려 저하시킨다는 한계가 존재하는 바, 실리콘계 활물질과 함께 사용되는 음극 도전재의 종류가 중요하다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 도전재는 점형 도전재; 면형 도전재; 및 선형 도전재로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 점형 도전재는 음극에 도전성을 향상시키기 위해 사용될 수 있고, 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 갖는 도전재를 의미한다. 구체적으로 상기 점형 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙, 도전성 섬유, 플루오로카본, 알루미늄 분말, 니켈 분말, 산화아연, 티탄산 칼륨, 산화 티탄 및 폴리페닐렌 유도체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종일 수 있으며, 바람직하게는 높은 도전성을 구현하며, 분산성이 우수하다는 측면에서 카본 블랙을 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 점형 도전재는 BET 비표면적이 40m2/g 이상 70m2/g 이하일 수 있으며, 바람직하게는 45m2/g 이상 65m2/g 이하, 더욱 바람직하게는 50m2/g 이상 60m2/g 이하일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어어서, 상기 점형 도전재의 입경은 10nm 내지 100nm일 수 있으며, 바람직하게는 20nm 내지 90nm, 더욱 바람직하게는 40nm 내지 60nm일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 도전재는 면형 도전재를 포함할 수 있다.
상기 면형 도전재는 음극 내에서 실리콘 입자들 간의 면 접촉을 증가시켜 도전성을 개선하고, 동시에 부피 팽창에 따른 도전성 경로의 단절을 억제하는 역할을 할 수 있으며, 벌크형(bulk) 도전재 또는 판상형 도전재를 포함하는 개념으로 사용된다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재는 판상형 흑연, 그래핀, 그래핀 옥사이드, 및 흑연 플레이크로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 판상형 흑연일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재의 평균 입경(D50)은 2㎛ 내지 7㎛일 수 있으며, 구체적으로 3㎛ 내지 6㎛일 수 있고, 보다 구체적으로 4㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 충분한 입자 크기에 기하여, 음극 슬러리의 지나친 점도 상승을 야기하지 않으면서도 분산이 용이하다. 따라서, 동일한 장비와 시간을 사용하여 분산시킬 때 분산 효과가 뛰어나다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재는 D10이 0.5μm 이상 1.5μm 이하이고, D50이 2.5μm 이상 3.5μm 이하이며, D90이 7.0μm 이상 15.0μm 이하인 것인 음극 조성물을 제공한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재는 BET 비표면적이 높은 고비표면적 면형 도전재; 또는 저비표면적 면형 도전재를 사용할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재로 고비표면적 면형 도전재; 또는 저비표면적 면형 도전재를 제한없이 사용할 수 있으나, 특히 본 출원에 따른 면형 도전재는 분산 영향을 전극 성능에서 어느 정도 영향을 받을 수 있어, 분산에 문제가 발생하지 않는 저비표면적 면형 도전재를 사용하는 것이 특히 바람직할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재는 BET 비표면적이 5m2/g 이상일 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재는 BET 비표면적이 5m2/g 이상 500m2/g 이하일 수 있으며, 바람직하게는 5m2/g 이상 300m2/g 이하, 더욱 바람직하게는 5m2/g 이상 200m2/g 이하일 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재는 고비표면적 면형 도전재이며, BET 비표면적이 50m2/g 이상 500m2/g 이하, 바람직하게는 80m2/g 이상 300m2/g 이하, 더욱 바람직하게는 100m2/g 이상 300m2/g 이하의 범위를 만족할 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 면형 도전재는 저비표면적 면형 도전재이며, BET 비표면적이 5m2/g 이상 40m2/g 이하, 바람직하게는 5m2/g 이상 30m2/g 이하, 더욱 바람직하게는 5m2/g 이상 25m2/g 이하의 범위를 만족할 수 있다.
그 외 음극 도전재로는 탄소나노튜브 등의 선형 도전재가 있을 수 있다. 탄소나노튜브는 번들형 탄소나노튜브일 수 있다. 상기 번들형 탄소나노튜브는 복수의 탄소나노튜브 단위체들을 포함할 수 있다. 구체적으로, 여기서 '번들형(bundle type)'이란, 달리 언급되지 않는 한, 복수 개의 탄소나노튜브 단위체가 탄소나노튜브 단위체 길이 방향의 축이 실질적으로 동일한 배향으로 나란하게 배열되거나 또는 뒤엉켜있는, 다발(bundle) 혹은 로프(rope) 형태의 2차 형상을 지칭한다. 상기 탄소나노튜브 단위체는 흑연면(graphite sheet)이 나노 크기 직경의 실린더 형태를 가지며, sp2결합 구조를 갖는다. 이때 상기 흑연면이 말리는 각도 및 구조에 따라서 도체 또는 반도체의 특성을 나타낼 수 있다. 상기 번들형 탄소나노튜브는 인탱글형(entangled type) 탄소나노튜브에 비해 음극 제조 시 균일하게 분산될 수 있으며, 음극 내 도전성 네트워크를 원활하게 형성하여, 음극의 도전성이 개선될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 선형 도전재는 SWCNT일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 도전재는 면형 도전재; 및 선형 도전재;를 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다.
본원 발명에서는 상기와 같은 점형 도전재를 사용하지 않고, 음극 도전재로 선형 및 면형 도전재를 포함시켜 본원 발명의 이차 전지에 있어 도전 경로를 확보할 수 있으며 출력 특성을 향상시킬 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 도전재는 상기 음극 조성물 100 중량부 기준 10 중량부 이상 40 중량부 이하인 것인 음극 조성물을 제공한다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 도전재는 상기 음극 조성물 100 중량부 기준 10 중량부 이상 40 중량부 이하, 바람직하게는 10 중량부 이상 30 중량부 이하, 더욱 바람직하게는 15 중량부 이상 25 중량부 이하를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 도전재 100 중량부 기준 상기 면형 도전재 90 중량부 이상 99.9 중량부 이하; 및 상기 선형 도전재 0.1 중량부 이상 10 중량부 이하;를 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 도전재 100 중량부 기준 상기 면형 도전재 90 중량부 이상 99.9 중량부 이하, 바람직하게는 93 중량부 이상 99.9 중량부 이하, 더욱 바람직하게는 95 중량부 이상 99.9 중량부 이하를 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 도전재 100 중량부 기준 상기 선형 도전재 0.1 중량부 이상 10 중량부 이하, 바람직하게는 0.1 중량부 이상 내지 7 중량부 이하, 더욱 바람직하게는 0.1 중량부 이상 내지 5 중량부 이하를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 도전재는 선형 도전재 및 면형 도전재를 포함하며, 상기 선형 도전재:면형 도전재의 비율은 0.01:1 내지 0.1:1를 만족할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 선형 도전재:면형 도전재의 비율은 0.1:1을 만족할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체층에 대향하는 면으로부터, 상기 음극 집전체층에 대향하는 반대면의 방향으로, 상기 면형 도전재의 함량이 높아지는 농도 구배를 갖는 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 도전재가 선형 도전재 및 면형 도전재를 포함하며 각각 상기 조성 및 비율을 만족하고 더욱이 상기와 같이 면형 도전재가 음극 집전체층과 멀어지는 방향으로, 함량이 낮아지는 것에 따라, 기존 리튬 이차 전지의 수명 특성에는 큰 영향을 미치지 않으며, 충전 및 방전이 가능한 포인트가 많아져 높은 C-rate에서 출력 특성이 우수한 특징을 갖게 되고, 음극 활물질층의 표면의 SiO의 두께를 조금 더 두껍게 확보할 수 있는 특징을 갖게 된다.
본 출원에 따른 음극 도전재의 경우 양극에 적용되는 도전재와는 전혀 별개의 구성을 갖는다. 즉 본 출원에 따른 음극 도전재의 경우 충전 및 방전에 의해서 전극의 부피 팽창이 매우 큰 실리콘계 활물질들 사이의 접점을 잡아주는 역할을 하는 것으로, 양극 도전재는 압연될 때 완충 역할의 버퍼 역할을 하면서 일부 도전성을 부여하는 역할로, 본원 발명의 음극 도전재와는 그 구성 및 역할이 전혀 상이하다.
또한, 본 출원에 따른 음극 도전재는 실리콘계 활물질에 적용되는 것으로, 흑연계 활물질에 적용되는 도전재와는 전혀 상이한 구성을 갖는다. 즉 흑연계 활물질을 갖는 전극에 사용되는 도전재는 단순히 활물질 대비 작은 입자를 갖기 때문에 출력 특성 향상과 일부의 도전성을 부여하는 특성을 갖는 것으로, 본원 발명과 같이 실리콘계 활물질과 함께 적용되는 음극 도전재와는 구성 및 역할이 전혀 상이하다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 전술한 음극 도전재로 사용되는 면형 도전재는 일반적으로 음극 활물질로 사용되는 탄소계 활물질과 상이한 구조 및 역할을 갖는다. 구체적으로, 음극 활물질로 사용되는 탄소계 활물질은 인조 흑연 또는 천연 흑연일 수 있으며, 리튬 이온의 저장 및 방출을 용이하게 하기 위하여 구형 또는 점형의 형태로 가공하여 사용하는 물질을 의미한다.
반면, 음극 도전재로 사용되는 면형 도전재는 면 또는 판상의 형태를 갖는 물질로, 판상형 흑연으로 표현될 수 있다. 즉, 음극 활물질층 내에서 도전성 경로를 유지하기 위하여 포함되는 물질로 리튬의 저장 및 방출의 역할이 아닌 음극 활물질층 내부에서 면형태로 도전성 경로를 확보하기 위한 물질을 의미한다.
즉, 본 출원에 있어서, 판상형 흑연이 도전재로 사용되었다는 것은 면형 또는 판상형으로 가공되어 리튬을 저장 또는 방출의 역할이 아닌 도전성 경로를 확보하는 물질로 사용되었다는 것을 의미한다. 이 때, 함께 포함되는 음극 활물질은 리튬 저장 및 방출에 대한 용량 특성이 높으며, 양극으로부터 전달되는 모든 리튬 이온을 저장 및 방출할 수 있는 역할을 하게 된다.
반면, 본 출원에 있어서, 탄소계 활물질이 활물질로 사용되었다는 것은 점형 또는 구형으로 가공되어 리튬을 저장 또는 방출의 역할을 하는 물질로 사용되었다는 것을 의미한다.
즉, 본 출원의 일 실시상태에 있어서, 탄소계 활물질인 인조 흑연 또는 천연 흑연은 BET 비표면적이 0.1m2/g 이상 4.5 m2/g 이하의 범위를 만족할 수 있다. 또한 면형 도전재인 판상형 흑연은 면 형태로 BET 비표면적이 5m2/g 이상일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리 아크릴산 (poly acrylic acid) 및 이들의 수소를 Li, Na 또는 Ca 등으로 치환된 물질로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 또한 이들의 다양한 공중합체를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 따른 바인더는 실리콘계 활물질의 부피 팽창 및 완화에 있어, 음극 구조의 뒤틀림, 구조 변형을 방지하기 위해 음극 활물질 및 음극 도전재를 잡아주는 역할을 하는 것으로, 상기 역할을 만족하면 일반적인 음극 바인더 모두를 적용할 수 있으며, 구체적으로 수계 바인더를 사용할 수 있고 더욱 구체적으로는 PAM계 바인더를 사용할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 음극 조성물 100 중량부 기준 상기 음극 바인더 30 중량부 이하, 바람직하게는 25 중량부 이하, 더욱 바람직하게는 20 중량부 이하를 포함할 수 있으며, 5 중량부 이상, 10 중량부 이상을 포함할 수 있다.
기존 탄소계 음극대비, Si 계를 음극에 사용하는 경우 수계 바인더가 상기 중량부로 적용되어 작용기 함량이 낮은 점형 도전재를 사용할 수 있고, 상기 특징에 따라 점형 도전재가 소수성을 가져 도전재/바인더와의 결합 강도가 우수해지는 특징을 갖게 된다.
또 다른 일 실시상태에 있어서, Si 및 SiO를 포함하는 음극 활물질; 음극 도전재; 및 음극 바인더;를 포함하는 제1 음극 조성물을 음극 집전체층 상에 도포하는 단계; 및 상기 제1 음극 조성물 상에 SiO를 포함하는 제2 음극 조성물을 도포하여 음극 활물질층을 형성하는 단계;를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법으로, 상기 제1 음극 조성물에 포함되는 음극 활물질 100 중량부 기준 상기 Si 를 60 중량부 이상 포함하며, 상기 음극 활물질층의 Si:SiO의 중량 비율이 65:35 내지 85:15이고, 상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체층에 대향하는 면에서의 SiO 함량에 비하여, 상기 음극 집전체층에 대향하는 면의 반대면에서의 SiO의 함량이 더 높은 것인 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법을 제공한다.
상기 음극 제조 방법에 있어, 음극에 포함되는 각각의 조성은 전술한 설명과 동일할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, Si 및 SiO를 포함하는 음극 활물질; 음극 도전재; 및 음극 바인더;를 포함하는 제1 음극 조성물을 음극 집전체층 상에 도포하는 단계는 음극 슬러리 형성용 용매를 상기 제1 음극 조성물에 포함시켜 제1 음극 슬러리를 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 음극 조성물 상에 SiO를 포함하는 제2 음극 조성물을 도포하는 단계는 음극 슬러리 형성용 용매를 상기 제2 음극 조성물에 포함시켜 제2 음극 슬러리를 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 음극 슬러리의 로딩양은 상기 제2 음극 슬러리의 로딩양 기준 2배 이상의 범위를 만족할 수 있다
이 때, 상기 제1 음극 슬러리의 로딩양과 상기 제2 음극 슬러리의 로딩양을 조절하여 본 출원에 따른 음극 활물질층은 Si:SiO의 중량 비율을 65:35 내지 85:15로 형성할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 음극 조성물 및 상기 제2 음극 조성물에 음극 슬러리 형성용 용매를 포함시켜 음극 슬러리를 제조할 수 있다. 이 때 음극 슬러리의 고형분 함량은 10% 이상 40% 이하의 범위를 만족할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 음극 슬러리의 고형분 함량이 상기 제2 음극 슬러리의 고형분 함량보다 낮게 형성될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 음극 조성물 상에 SiO를 포함하는 제2 음극 조성물을 도포하는 단계는 웨트 온 웨트(wet on wet) 공정을 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법을 제공한다.
상기 웨트 온 웨트 공정이란 처음 도포한 도료가 마르기전 다음의 도료를 도포하여 바르는 형식으로 웨트 온 드라이, 드라이 온 드라이와는 상이한 공정을 의미할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 음극 조성물 상에 SiO를 포함하는 제2 음극 조성물을 도포하는 단계는 웨트 온 웨트(wet on wet) 공정을 통하여 본 출원에 따른 음극 활물질층이 특정의 농도 구배를 가질 수 있는 특징을 갖게 된다.
또한, 본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 음극 조성물 상에 SiO를 포함하는 제2 음극 조성물을 도포하여 음극 활물질층을 형성하는 단계는 상기 도포된 제1 음극 조성물과 상기 도포된 제2 음극 조성물의 계면의 혼합을 통하여 형성될 수 있다. 이 때 상기 계면의 혼합은 인터믹싱(inter-mixing)으로 표시될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 음극 조성물의 점도가 상기 제2 음극 조성물의 점도보다 낮은 것인 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법을 제공한다.
상기 제1 음극 조성물과 상기 제2 음극 조성물의 계면에서 인터믹싱(inter-mixing)이 일어나기 위해 상기와 같이 점도 범위를 조절할 수 있으며, 이에 따라 전술한 농도 구배를 가질수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 양극; 본 출원에 따른 리튬 이차 전지용 음극; 상기 양극과 상기 음극 사이에 구비된 분리막; 및 전해질;을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
도 5는 본 출원의 일 실시상태에 따른 리튬 이차 전지의 적층 구조를 나타낸 도이다. 구체적으로, 음극 집전체층(10)의 일면에 음극 활물질층(20)을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극(100)을 확인할 수 있으며, 양극 집전체층(50)의 일면에 양극 활물질층(40)을 포함하는 리튬 이차 전지용 양극(200)을 확인할 수 있으며, 상기 리튬 이차 전지용 음극(100)과 리튬 이차 전지용 양극(200)이 분리막(30)을 사이에 두고 적층되는 구조로 형성됨을 나타낸다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 이차 전지는 특히 상술한 리튬 이차 전지용 음극을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 이차 전지는 음극, 양극, 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막 및 전해질을 포함할 수 있으며, 상기 음극은 상술한 음극과 동일하다. 상기 음극에 대해서는 상술하였으므로, 구체적인 설명은 생략한다.
상기 양극은 양극 집전체층 및 상기 양극 집전체층 상에 형성되며, 상기 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질층을 포함할 수 있다.
상기 양극에 있어서, 양극 집전체층은 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 양극 집전체층은 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 통상적으로 사용되는 양극 활물질일 수 있다. 구체적으로, 상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; LiFe3O4 등의 리튬 철 산화물; 화학식 Li1+c1Mn2-c1O4 (0≤c1≤0.33), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-c2Mc2O2 (여기서, M은 Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 및 Ga으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤c2≤0.3를 만족한다)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-c3Mc3O2 (여기서, M은 Co, Ni, Fe, Cr, Zn 및 Ta 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 0.01≤c3≤0.1를 만족한다) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M은 Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이다.)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 상기 양극은 Li-metal일 수도 있다.
상기 양극 활물질층은 앞서 설명한 양극 활물질과 함께, 양극 도전재 및 양극 바인더를 포함할 수 있다.
이때, 상기 양극 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
또, 상기 양극 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 양극 집전체층과의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
상기 분리막으로는 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 이차 전지에서 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해질 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
상기 전해질로는 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 전해질은 비수계 유기용매와 금속염을 포함할 수 있다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라하이드로푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
특히, 상기 카보네이트계 유기 용매 중 고리형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기 용매로서 유전율이 높아 리튬염을 잘 해리시키므로 바람직하게 사용될 수 있으며, 이러한 고리형 카보네이트에 디메틸카보네이트 및 디에틸카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 높은 전기 전도율을 갖는 전해질을 만들 수 있어 더욱 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 금속염은 리튬염을 사용할 수 있고, 상기 리튬염은 상기 비수 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 이차 전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공한다. 상기 전지 모듈 및 전지 팩은 고용량, 높은 율속 특성 및 사이틀 특성을 갖는 상기 이차 전지를 포함하므로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템으로 이루어진 군에서 선택되는 중대형 디바이스의 전원으로 이용될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 상기 실시예는 본 기재를 예시하는 것일 뿐 본 기재의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
<실시예>
실시예 1. 음극의 제조
제1 음극 슬러리의 제조
실리콘계 활물질로서 Si(평균 입경(D50): 3.5μm), 제1 도전재, 제2 도전재, 및 바인더로서 폴리아크릴아마이드를 80:9.6:0.4:10의 중량비로 제1 음극 조성물을 형성하였으며, 음극 슬러리 형성용 용매로서 증류수에 첨가하여 제1 음극 슬러리를 제조하였다.
상기 제1 도전재는 판상의 흑연(비표면적: 17m2/g, 평균 입경(D50):3.5μm)이며, 상기 제2 도전재는 SWCNT이었다.
믹싱 방법으로는 상기 제1 도전재와 제2 도전재, 바인더와 물을 homo믹서를 이용하여 2500rpm, 30min 분산시켜 준 후, 활물질을 첨가한 후 2500rpm, 30min을 분산시켜 슬러리를 제작하였다.
제2 음극 슬러리의 제조
실리콘계 활물질로서 SiO(D50: 6μm), 제1 도전재, 제2 도전재 및 바인더로서 폴리아크릴아마이드를 65:19.5:0.5:15의 중량비로 한 것을 제외하고, 상기 제1 음극 슬러리의 제조와 동일한 방법으로 제2 음극 슬러리를 제작하였다.
이 후, 음극 집전체로서 구리 집전체(두께: 8 μm)의 양면에 상기 제1 음극 슬러리를 94mg/25cm2의 로딩량으로 코팅하고, 동시에 그 위에 제2 음극 슬러리를 38 mg/25cm2의 로딩량으로 wet on wet 코팅하고 건조하였다. 이 때 상기 제1 음극 슬러리의 고형분 함량은 25%이고, 제2 음극 슬러리의 고형분 함량은 28%이었다.
상기 고형분 함량을 만족함에 따라, 건조 과정에서 inter-mixing이 발생하여 두 활물질층이 혼합되는 과정이 존재하였다.
그 후 압연(roll press)하고, 130℃의 진공 오븐에서 10시간 동안 건조하여 음극 활물질층(두께: 65 μm)을 형성하여, 이를 음극으로 하였다.
상기 음극 활물질층에서 상기 음극 활물질의 비율은 Si:SiO=75:25 비율을 나타내었으며, 표면 영역은 Si:SiO=3:97의 비율을, 접합 영역은 Si:SiO=97:3의 비율을 나타내었다.
(음극의 두께: 73 μm, 음극의 공극률: 40%)
실시예 2. 음극의 제조
제1 음극 슬러리의 제조
실리콘계 활물질로서 Si(평균 입경(D50): 3.5μm), 도전재로 SWCNT 및 바인더로서 폴리아크릴아마이드를 89.5:0.5:10의 중량비로 제1 음극 조성물을 형성하였으며, 음극 슬러리 형성용 용매로서 증류수에 첨가하여 제1 음극 슬러리를 제조하였다.
믹싱 방법으로는 SWCNT 및 바인더와 물을 homo믹서를 이용하여 2500rpm, 30min 분산시켜 준 후, 활물질을 첨가한 후 2500rpm, 30min을 분산시켜 제1 음극 슬러리를 제작하였다.
제2 음극 조성물의 제조
실리콘계 활물질로서 SiO(D50: 6μm), 도전재로 SWCNT 및 바인더로서 폴리아크릴아마이드를 84.5:0.5:15의 중량비로 한 것을 제외하고, 상기 제1 음극 슬러리의 제조와 동일한 방법으로 제2 음극 슬러리를 제작하였다.
이 후, 음극 집전체로서 구리 집전체(두께: 8 μm)의 양면에 상기 제1 음극 슬러리를 94mg/25cm2의 로딩량으로 코팅하고, 동시에 그 위에 제2 슬러리를 38 mg/25cm2의 로딩량으로 wet on wet 코팅하고 건조하였다. 이 때 상기 제1 음극 슬러리의 고형분 함량은 25%이고, 제2 음극 슬러리의 고형분 함량은 28%이었다.
상기 고형분 함량을 만족함에 따라, 건조 과정에서 inter-mixing이 발생하여 두 활물질층이 혼합되는 과정이 존재하였다.
그 후 압연(roll press)하고, 130℃의 진공 오븐에서 10시간 동안 건조하여 음극 활물질층(두께: 65 μm)을 형성하여, 이를 음극으로 하였다.
상기 음극 활물질층에서 상기 음극 활물질의 비율은 Si:SiO=75:25 비율을 나타내었으며, 표면 영역은 Si:SiO=3:97의 비율을, 접합 영역은 Si:SiO=97:3의 비율을 나타내었다.
실시예 3. 음극의 제조
제1 음극 슬러리의 제조
실리콘계 활물질로서 Si(평균 입경(D50): 3.5μm), 제1 도전재(점형 도전재, D50=50nm), 제2 도전재(SWCNT), 제3 도전재(면형 도전재, D50=3.5μm) 및 바인더로서 폴리아크릴아마이드를 70:9.6:0.4:10:10의 중량비로 제1 음극 조성물을 형성하고, 음극 슬러리 형성용 용매로서 증류수에 첨가하여 제1 음극 슬러리를 제조하였다.
믹싱 방법으로는 상기 3종 도전재 및 바인더와 물을 homo믹서를 이용하여 2500rpm, 30min 분산시켜 준 후, 활물질을 첨가한 후 2500rpm, 30min을 분산시켜 슬러리를 제작하였다.
제2 음극 슬러리의 제조
실리콘계 활물질로서 SiO(D50: 6μm), 제1 도전재(점형 도전재, D50=50nm), 제2 도전재(SWCNT), 제3 도전재(면형 도전재, D50=3.5μm) 및 바인더로서 폴리아크릴아마이드를 60:9.5:0.5:10:15의 중량비로 한 것을 제외하고, 상기 제1 음극 슬러리의 제조와 동일한 방법으로 제2 음극 슬러리를 제작하였다.
이 후, 음극 집전체로서 구리 집전체(두께: 8 μm)의 양면에 상기 제1 음극 슬러리를 94mg/25cm2의 로딩량으로 코팅하고, 동시에 그 위에 제2 음극 슬러리를 38 mg/25cm2의 로딩량으로 wet on wet 코팅하고 건조하였다. 이 때 상기 제1 음극 슬러리의 고형분 함량은 25%이고, 제2 음극 슬러리의 고형분 함량은 28%이었다.
상기 고형분 함량을 만족함에 따라, 건조 과정에서 inter-mixing이 발생하여 두 활물질층이 혼합되는 과정이 존재하였다.
그 후 압연(roll press)하고, 130℃의 진공 오븐에서 10시간 동안 건조하여 음극 활물질층(두께: 65 μm)을 형성하여, 이를 음극으로 하였다.
상기 음극 활물질층에서 상기 음극 활물질의 비율은 Si:SiO=75:25 비율을 나타내었으며, 표면 영역은 Si:SiO=3:97의 비율을, 접합 영역은 Si:SiO=97:3의 비율을 나타내었다.
실시예 4. 음극의 제조
상기 실시예 1에 있어서, 상기 제1 음극 슬러리를 85mg/25cm2의 로딩량으로 코팅하고, 동시에 그 위에 제2 슬러리를 43 mg/25cm2의 로딩량으로 wet on wet 코팅하고 건조한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 같은 방법으로 음극을 형성하였다. 이 때, 상기 음극 활물질층에서 상기 음극 활물질의 비율은 Si:SiO=65:35 비율을 나타내었다.
또한, 표면 영역은 Si:SiO=5:95의 비율을, 접합 영역은 Si:SiO=95:5의 비율을 나타내었다.
(음극의 두께: 73 μm, 음극의 공극률: 40%)
실시예 5. 음극의 제조
상기 실시예 1에 있어서, 상기 제1 음극 슬러리를 102mg/25cm2의 로딩량으로 코팅하고, 동시에 그 위에 제2 슬러리를 31 mg/25cm2의 로딩량으로 wet on wet 코팅하고 건조한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 같은 방법으로 음극을 형성하였다. 이 때, 상기 음극 활물질층에서 상기 음극 활물질의 비율은 Si:SiO=85:15 비율을 나타내었다.
또한, 표면 영역은 Si:SiO=1:99의 비율을, 접합 영역은 Si:SiO=99:1의 비율을 나타내었다.
(음극의 두께: 73 μm, 음극의 공극률: 40%)
비교예 1. 음극의 제조
음극 집전체로서 구리 집전체(두께: 8 μm)의 양면에 상기 실시예 1에서 제조된 제1 음극 슬러리를 코팅하고 건조하여 음극 활물질층을 형성 및 음극을 제작하였다.
비교예 2. 음극의 제조
음극 집전체로서 구리 집전체(두께: 8 μm)의 양면에 상기 실시예 1에서 제조된 제2 음극 슬러리를 코팅하고 건조하여 음극 활물질층을 형성 및 음극을 제작하였다.
비교예 3. 음극의 제조
음극 집전체로서 구리 집전체(두께: 8 μm)의 양면에 상기 실시예 1에서 제조된 제2 음극 슬러리를 38mg/25cm2의 로딩량으로 코팅하고, 동시에 그 위에 상기 실시예 1에서 제조된 제1 음극 슬러리를 94 mg/25cm2의 로딩량으로 wet on wet 코팅하고 건조한 것을 제외하고, 상기 실시에 1과 동일한 방법으로 음극 활물질층을 형성하여, 음극을 제작하였다.
상기 음극 활물질층에서 상기 음극 활물질의 비율은 Si:SiO=75:25 비율을 나타내었으며, 표면 영역은 Si:SiO=95:5의 비율을, 접합 영역은 Si:SiO=5:95의 비율을 나타내었다.
비교예 4. 음극의 제조
음극 집전체로서 구리 집전체(두께: 8 μm)의 양면에 상기 실시예 1에서 제조된 제1 음극 슬러리를 63mg/25cm2의 로딩량으로 코팅하고, 동시에 그 위에 상기 실시예 1에서 제조된 제1 음극 슬러리를 77 mg/25cm2의 로딩량으로 wet on wet 코팅하고 건조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질층을 형성하여, 음극을 제작하였다.
상기 음극 활물질층에서 상기 음극 활물질의 비율은 Si:SiO=50:50 비율을 나타내었다.
비교예 5. 음극의 제조
음극 집전체로서 구리 집전체(두께: 8 μm)의 양면에 상기 실시예 1에서 제조된 제1 음극 슬러리를 120mg/25cm2의 로딩량으로 코팅하고, 동시에 그 위에 상기 실시예 1에서 제조된 제1 음극 슬러리를 22 mg/25cm2의 로딩량으로 wet on wet 코팅하고 건조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 활물질층을 형성하여, 음극을 제작하였다.
상기 음극 활물질층에서 상기 음극 활물질의 비율은 Si:SiO=90:10 비율을 나타내었다.
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5의 음극에 대하여, 하기 표 1과 같이 Cell energy density, 초기 용량(4.2~3.0V 기준), 수명 성능(@300cycle), 및 @SOC50 2.5C 방전 저항 증가(after 300cycle)을 각각 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 1과 같았다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5
Cell energy density 870Wh/L 910Wh/L 850Wh/L 820 Wh/L 962 Wh/L 950 Wh/L 480 Wh/L 870 Wh/L 780 Wh/L 976 Wh/L
초기 용량(4.2~3.0V 기준) 121 mAh 122mAh 121mAh 120mAh 125 mAh 123 mAh 120 mAh 113 mAh 118 mAh 127 mAh
수명 성능(@300cycle) 85% 83% 84% 89% 83% 78% 92% 75% 80% 79%
@SOC50 2.5C 방전 저항 증가(after 300cycle) 68% 70% 72% 69% 73% 74% 63% 76% 73% 79%
상기 표 1에서 확인할 수 있듯, 실시예 1 내지 실시예 5에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 경우, 음극 활물질은 Si 및 SiO를 특정 함량 포함하여 음극의 용량이 극대화될 수 있다. 또한 상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체층에 대향하는 면에서의 SiO 함량에 비하여, 상기 음극 집전체층에 대향하는 면의 반대면에서의 SiO의 함량이 더 높게 형성된다.
이에 따라 음극의 최표면에 Si보다 반응 내구성이 우수한 SiO가 많이 분포하도록 하여, 전지의 사이클이 반복되어도 음극 깊이 방향으로의 반응 불균일성을 해소할 수 있는 특징을 갖게 됨을 상기 표 1의 수명 성능 및 저항 증가율을 통하여 확인할 수 있었다.
비교예 1의 경우 음극 활물질로 Si를 100% 적용한 것으로, 에너지 밀도(cell energy density)는 높게 형성되고 초기 용량이 높으나, 충방전에 따라 Si 활물질층의 표면부 반응 집중에 따라 수명 성능이 저하되며, 방전 저항 증가도 높음을 확인할 수 있었다.
비교예 2의 경우 음극 활물질로 SiO를 100% 적용한 것으로, SiO 활물질의 팽창도가 Si 보다 적어, 수명 성능 자체는 우수하나, 에너지 밀도(cell energy density)가 떨어져 음극의 성능이 실시예 1에 비해 좋지 않음을 확인할 수 있었다.
비교예 3의 경우 실시예 1과는 달리 음극 활물질층 표면(표면 영역)의 Si 비율이 높은 경우로, 에너지 밀도는 동등한 수준이나, Si 대비 Li과의 반응성이 낮은 SiO가 음극 집전체쪽에 배치되어 실제 반응에는 참여하지 않았으며, 오히려 Si의 사용 심도가 깊어지는 효과가 나타나 불균일 반응으로 인한 내구성이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 마찬가지로 전리튬화(pre-lithiation)시 음극의 표면에 Si가 다량 구비되어 SiO가 구비되는 경우에 비하여 표면의 퇴화가 급격히 발생하여 수명 내구성이 떨어지는 것을 예상할 수 있다.
비교예 4의 경우 음극 활물질로 Si:SiO=50:50으로 적용한 것으로, 실시예 1에 비하여 SiO의 함량이 많이 포함되어 수명 성능은 비교적 우수하나, 에너지 밀도(cell energy density)가 떨어져 음극의 성능이 실시예 1에 비해 좋지 않음을 확인할 수 있었다.
비교예 5의 경우 음극 활물질로 Si:SiO=90:10으로 적용한 것으로, 실시예 1에 비하여 Si의 함량이 많이 포함되어 에너지 밀도 및 용량 특성은 우수할 수 있으나, 전지의 충전 및 방전의 사이클이 반복되는 경우 음극 활물질층의 깊이 방향으로의 반응 불균일성이 증대되어 수명 성능이 떨어지고 저항 증가율이 높음을 확인할 수 있었다.
추가로, 상기 실시예 1 내지 실시예 3을 비교하였을 때, 실시예 1의 경우 선형 도전재 및 면형 도전재를 2종 포함한 것으로, 도전재를 1종 포함하거나, 도전재를 3종 포함하는 실시예 2 및 실시예 3 대비 초기 용량은 동등한 수준을 보이나, 수명 성능이 우수하고, 특히 방전 저항 관련 효과가 우수함을 확인할 수 있었다. 이는 기존 리튬 이차 전지의 수명 특성에는 큰 영향을 미치지 않으며, 충전 및 방전이 가능한 포인트가 많아져 높은 C-rate에서 출력 특성이 우수한 특징을 갖게 되기 때문이다.
상기 실시예 비교예 및 본 명세서를 참고하였을 때, 본 발명의 일 실시상태에 따른 리튬 이차 전지용 음극은, 음극 활물질에 포함되는 Si:SiO 비율이 65:35 내지 85:15를 만족하는 것을 알 수 있다. 즉, 단층의 음극 활물질층을 사용하면서도, 용량 특성을 극대화하기 위해 Si와 SiO를 상기 중량 비율로 포함하고, 또한 전극 표면 퇴화에 따른 수명 특성의 문제를 SiO를 음극 활물질층의 농도구배를 통하여 음극 활물질층 표면부의 Si의 함량부를 최소화하여 전극의 내구성을 강화하여 이를 포함하는 리튬 이차 전지의 용량 및 수명 특성을 강화한 것을 확인할 수 있었다.

Claims (17)

  1. 음극 집전체층; 및
    상기 음극 집전체층의 일면에 구비된 음극 활물질층을 포함하는 리튬 이차 전지용 음극으로,
    상기 음극 활물질층은 음극 활물질; 음극 도전재; 및 음극 바인더를 포함하는 음극 조성물을 포함하고,
    상기 음극 활물질은 Si 및 SiO 를 포함하며,
    상기 Si:SiO의 중량 비율이 65:35 내지 85:15이고,
    상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체층에 대향하는 면에서의 SiO 함량에 비하여, 상기 음극 집전체층에 대향하는 면의 반대면에서의 SiO의 함량이 더 높은 것인 리튬 이차 전지용 음극.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체층에 대향하는 면으로부터, 상기 음극 집전체층에 대향하는 반대면의 방향으로, 상기 SiO의 함량이 높아지는 농도 구배를 갖는 리튬 이차 전지용 음극.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체층과 대향하는 면을 포함하는 접합 영역; 및 상기 음극 집전체층에 대향하는 면의 반대면을 포함하는 표면 영역;을 포함하며,
    상기 접합 영역에서의 상기 Si:SiO의 중량 비율이 95:5 내지 100:0이고,
    상기 표면 영역에서의 상기 Si:SiO의 중량 비율이 5:95 내지 0:100인 리튬 이차 전지용 음극.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 활물질은 상기 음극 조성물 100 중량부 기준 60 중량부 이상인 것인 리튬 이차 전지용 음극.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 도전재는 면형 도전재; 및 선형 도전재를 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체층에 대향하는 면으로부터, 상기 음극 집전체층에 대향하는 반대면의 방향으로, 상기 면형 도전재의 함량이 높아지는 농도 구배를 갖는 리튬 이차 전지용 음극.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 Si의 중심 입경 D50은 1μm 이상 10μm 이하이며,
    상기 SiO의 중심 입경 D50은 1μm 이상 10μm 이하이며,
    상기 SiO의 Si 결정립 크기가 100nm 이하인 것인 리튬 이차 전지용 음극.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 음극 도전재 100 중량부 기준 상기 면형 도전재는 90 중량부 이상 99.9 중량부 이하를 포함하고, 상기 선형 도전재는 0.1 중량부 이상 10 중량부 이하를 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 집전체층의 두께는 1μm 이상 100μm 이하이며,
    상기 음극 활물질층의 두께는 20μm 이상 500μm 이하인 것인 리튬 이차 전지용 음극.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체층의 양면에 구비된 것인 리튬 이차 전지용 음극.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 활물질층은 두께 방향으로 3등분하여,
    제1 활물질층 영역; 제2 활물질층 영역; 및 제3 활물질층 영역;으로 순차적으로 나누어 표시되며,
    상기 제1 활물질층 영역이 상기 음극 집전체층과 접하고,
    상기 제1 활물질층 영역은 상기 음극 활물질 100 중량부 기준 SiO를 10 중량부 이하로 포함하고, 상기 제3 활물질층 영역은 상기 음극 활물질 100 중량부 기준 SiO를 80 중량부 이상 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 활물질층 영역에서의 Si:SiO의 중량 비율이 95:5 내지 100:0인 것인 리튬 이차 전지용 음극.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 제3 활물질층 영역에서의 상기 Si:SiO의 중량 비율이 5:95 내지 0:100인 것인 리튬 이차 전지용 음극.
  14. Si 및 SiO를 포함하는 음극 활물질; 음극 도전재; 및 음극 바인더;를 포함하는 제1 음극 조성물을 음극 집전체층 상에 도포하는 단계; 및
    상기 제1 음극 조성물 상에 SiO를 포함하는 제2 음극 조성물을 도포하여 음극 활물질층을 형성하는 단계;를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법으로,
    상기 제1 음극 조성물에 포함되는 음극 활물질 100 중량부 기준 상기 Si 를 60 중량부 이상 포함하며,
    상기 음극 활물질층의 Si:SiO의 중량 비율이 65:35 내지 85:15이고,
    상기 음극 활물질층은 상기 음극 집전체층에 대향하는 면에서의 SiO 함량에 비하여, 상기 음극 집전체층에 대향하는 면의 반대면에서의 SiO의 함량이 더 높은 것인 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 음극 조성물의 점도가 상기 제2 음극 조성물의 점도보다 낮은 것인 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 음극 조성물 상에 SiO를 포함하는 제2 음극 조성물을 도포하는 단계는 웨트 온 웨트(wet on wet) 공정을 포함하는 것인 리튬 이차 전지용 음극의 제조 방법.
  17. 양극;
    청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 따른 리튬 이차 전지용 음극;
    상기 양극과 상기 음극 사이에 구비된 분리막; 및
    전해질;을 포함하는 리튬 이차 전지.
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