KR20240094576A - Binder for secondary battery and secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
예시적인 실시예들에 따른 이차 전지용 바인더는 특정 구조의 (메타)아크릴레이트 단량체를 포함하여 중합된 아크릴계 수지를 포함할 수 있다. 이에 따라, 전극 활물질 및 전극 집전체 간의 밀착력이 향상되고, 초기 충방전 효율 및 용량 유지율이 개선된 리튬 이차 전지가 제공될 수 있다.The binder for a secondary battery according to exemplary embodiments may include an acrylic resin polymerized with a (meth)acrylate monomer of a specific structure. Accordingly, a lithium secondary battery with improved adhesion between the electrode active material and the electrode current collector and improved initial charge/discharge efficiency and capacity maintenance rate can be provided.
Description
본 발명은 이차 전지용 바인더 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 고분자 화합물을 포함하는 이차 전지용 바인더 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a binder for secondary batteries and a secondary battery containing the same. More specifically, it relates to a binder for secondary batteries containing a polymer compound and a secondary battery containing the same.
이차 전지는 충전 및 방전이 반복 가능한 전지로서, 정보 통신 및 디스플레이 산업의 발전에 따라 캠코더, 휴대폰, 노트북 PC 등과 같은 휴대용 전자통신 기기에 널리 적용되어 왔다. 이차 전지로서 예를 들면, 리튬 이차 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지 등을 들 수 있으며, 이들 중 리튬 이차 전지가 작동 전압 및 단위 중량당 에너지 밀도가 높으며, 충전 속도 및 경량화에 유리하다는 점에서 활발히 개발 및 적용되어 왔다.Secondary batteries are batteries that can be repeatedly charged and discharged, and have been widely applied to portable electronic communication devices such as camcorders, mobile phones, and laptop PCs with the development of the information and communication and display industries. Examples of secondary batteries include lithium secondary batteries, nickel-cadmium batteries, and nickel-hydrogen batteries. Among these, lithium secondary batteries have high operating voltage and energy density per unit weight, and are advantageous for charging speed and weight reduction. It has been actively developed and applied in this regard.
리튬 이차 전지는 예를 들면, 양극, 음극 및 분리막(세퍼레이터)을 포함하는 전극 조립체, 및 전극 조립체를 함침시키는 전해질을 포함할 수 있다. 상기 리튬 이차 전지는 전극 조립체 및 전해질을 수용하는 예를 들면, 파우치 형태의 외장재를 더 포함할 수 있다.A lithium secondary battery may include, for example, an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator, and an electrolyte impregnating the electrode assembly. The lithium secondary battery may further include an exterior material in the form of, for example, a pouch that accommodates the electrode assembly and the electrolyte.
일반적으로, 리튬 이차 전지용 전극은 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극 합제를 전극 집전체에 도포하여 제조된다. 바인더는 전극 활물질과 전극 활물질 간, 전극 활물질과 전극 집전체 간의 접착력 또는 결착력 확보를 위하여 사용된다.Generally, electrodes for lithium secondary batteries are manufactured by applying an electrode mixture containing an electrode active material, a binder, and a conductive material to an electrode current collector. A binder is used to secure adhesion or cohesion between electrode active materials and between electrode active materials and electrode current collectors.
종래 바인더로 사용되는 물질들은 집전체나 활물질에 대한 결착성도 나빠, 다량으로 사용하지 않으면 결착제로서 효과를 발현하기 어려웠다. 이 때문에, 전극 중의 전극 활물질 및 도전재의 함량을 높게 할 수 없어, 전극의 용량 및 전자전도성을 낮추게 되는 문제가 있다Conventionally, materials used as binders have poor binding properties to current collectors or active materials, making it difficult to demonstrate their effectiveness as binders unless used in large quantities. For this reason, there is a problem in that the content of the electrode active material and conductive material in the electrode cannot be increased, thereby lowering the capacity and electronic conductivity of the electrode.
예를 들면, 스타일렌-부타디엔계 중합체, 스티렌-아크릴레이트계 중합체 등과 같은 바인더는 고온 안정성 및 접착력이 부족하며, 전해액과 부반응을 일으킬 수 있다. 예를 들면, 한국등록특허 제10-1320381호는 소정의 물성 조건을 만족하는 CMC 및 SBR를 음극 수계 바인더로 구비하는 이차 전지를 개시하나, 전술한 한계점을 극복하지 못하고 있다.For example, binders such as styrene-butadiene-based polymers and styrene-acrylate-based polymers lack high-temperature stability and adhesive strength and may cause side reactions with the electrolyte solution. For example, Korean Patent No. 10-1320381 discloses a secondary battery comprising CMC and SBR that satisfy certain physical property conditions as a negative water-based binder, but fails to overcome the above-mentioned limitations.
본 발명의 일 과제는 안정성 및 밀착성이 우수한 이차 전지용 바인더를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a binder for secondary batteries with excellent stability and adhesion.
본 발명의 일 과제는 안정성 및 밀착성이 우수한 이차 전지용 바인더를 포함하는 이차 전지용 전극 및 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a secondary battery electrode and a lithium secondary battery including a secondary battery binder with excellent stability and adhesion.
예시적인 실시예들에 따른 이차 전지용 바인더는 하기 구조식 1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체를 포함하여 중합된 아크릴계 수지를 포함할 수 있다.The binder for secondary batteries according to exemplary embodiments may include an acrylic resin polymerized with a (meth)acrylate monomer represented by Structural Formula 1 below.
[구조식 1][Structural Formula 1]
구조식 1 중, R1은 수소 원자 또는 메틸기이고, R2는 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이며, L은 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기일 수 있다.In Structural Formula 1, R 1 may be a hydrogen atom or a methyl group, R 2 may be a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and L may be an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms.
일부 실시예들에 있어서, 상기 구조식 1 중 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 메틸기이고, L은 탄소수 1 내지 4의 알킬렌기일 수 있다.In some embodiments, in Structural Formula 1, R 1 and R 2 are each independently a hydrogen atom or a methyl group, and L may be an alkylene group having 1 to 4 carbon atoms.
일부 실시예들에 있어서, 상기 아크릴계 수지는 i) 탄소수 1 내지 14의 알킬기를 가진 (메타)아크릴레이트 단량체 30 내지 90중량%, ii) 불포화 카본산 및 수산기 함유 불포화 단량체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 단량체 0.5 내지 10중량%, 및 iii) 상기 구조식 1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체 1 내지 20중량%를 포함하여 중합된 것일 수 있다.In some embodiments, the acrylic resin is i) 30 to 90% by weight of a (meth)acrylate monomer having an alkyl group having 1 to 14 carbon atoms, ii) 1 selected from the group consisting of an unsaturated carboxylic acid and an unsaturated monomer containing a hydroxyl group. It may be polymerized including 0.5 to 10% by weight of one or more monomers, and iii) 1 to 20% by weight of a (meth)acrylate monomer represented by Structural Formula 1 above.
일부 실시예들에 있어서, 상기 i)의 단량체는 메틸(메타)아크릴레이트, 에틸(메타)아크릴레이트, 프로필(메타)아크릴 레이트, 이소프로필(메타)아크릴레이트, 부틸(메타)아크릴레이트, 이소부틸아크릴레이트, t-부틸메타크릴레이트, 펜틸메타크릴레이트, 헥실메타크릴레이트, 헵틸아크릴레이트, 이소옥틸아크릴레이트, 옥 틸메타크릴레이트, 2-에틸헥실(메타)아크릴레이트, 이소데실아크릴레이트, 데실메타크릴레이트, 도데실메타크 릴레이트, 이소보닐메타크릴레이트, 및 라우릴(메타)아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.In some embodiments, the monomer of i) is methyl (meth)acrylate, ethyl (meth)acrylate, propyl (meth)acrylate, isopropyl (meth)acrylate, butyl (meth)acrylate, isopropyl (meth)acrylate, and isopropyl (meth)acrylate. Butyl acrylate, t-butyl methacrylate, pentyl methacrylate, hexyl methacrylate, heptyl acrylate, isooctyl acrylate, octyl methacrylate, 2-ethylhexyl (meth)acrylate, isodecyl acrylate , decyl methacrylate, dodecyl methacrylate, isobornyl methacrylate, and lauryl (meth)acrylate.
일부 실시예들에 있어서, 상기 ii)의 단량체는 아크릴산, 이타콘산, 무수말레인산, 푸마르산, 크로탄산 메타크릴산, 에틸메타크릴산, 히드록시메틸(메타)아크릴레이트, 히드록시에틸(메타)아크릴레이트, 히드록시프로필(메타)아크릴레이트, 히드록시부틸(메타)아크릴레이트, 히드록시헥실(메타)아크릴레이트, 히드록시옥틸(메타)아크릴레이트, 히드록시라우릴(메타)아크릴레이트 및 히드록시프로필렌글리콜(메타)아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.In some embodiments, the monomer of ii) is acrylic acid, itaconic acid, maleic anhydride, fumaric acid, crotanic methacrylic acid, ethyl methacrylic acid, hydroxymethyl (meth)acrylate, and hydroxyethyl (meth)acrylic. Latex, hydroxypropyl (meth)acrylate, hydroxybutyl (meth)acrylate, hydroxyhexyl (meth)acrylate, hydroxyoctyl (meth)acrylate, hydroxylauryl (meth)acrylate and hydroxyl. It may include one or more selected from the group consisting of propylene glycol (meth)acrylate.
일부 실시예들에 있어서, 상기 아크릴계 수지는 iv) 스티렌, 불포화 아세테이트 및 불포화 니트릴로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 단량체를 더 포함하여 중합된 것일 수 있다.In some embodiments, the acrylic resin may be polymerized by further including iv) one or more monomers selected from the group consisting of styrene, unsaturated acetate, and unsaturated nitrile.
일부 실시예들에 있어서, 상기 iv)의 단량체는 아세트산 비닐, 스티렌, α-메틸스티렌, β-메틸스티렌, p-t-부틸스티렌, 디비닐벤젠, 아크릴로니트릴 및 메타크릴로니트릴로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.In some embodiments, the monomer of iv) is selected from the group consisting of vinyl acetate, styrene, α-methylstyrene, β-methylstyrene, p-t-butylstyrene, divinylbenzene, acrylonitrile, and methacrylonitrile. It may contain one or more things.
일부 실시예들에 있어서, 상기 아크릴계 수지는 에폭시기 함유 불포화 단량체가 더 포함되어 중합된 것일 수 있다.In some embodiments, the acrylic resin may be polymerized by further including an epoxy group-containing unsaturated monomer.
일부 실시예들에 있어서, 상기 바인더는 멜라민, 이소시아네이트, 알데히드, 아민 및 디아조늄염으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the binder may further include one or more compounds selected from the group consisting of melamine, isocyanate, aldehyde, amine, and diazonium salt.
일부 실시예들에 있어서, 상기 화합물은 상기 구조식 1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체 1몰 대비 0.1몰 이하로 포함될 수 있다.In some embodiments, the compound may be included in an amount of 0.1 mol or less relative to 1 mole of the (meth)acrylate monomer represented by Structural Formula 1.
예시적인 실시예들에 따르면, 이차 전지용 전극 합제는 상술한 이차 전지용 바인더 및 전극 활물질을 포함할 수 있다.According to exemplary embodiments, the electrode mixture for a secondary battery may include the binder and electrode active material for a secondary battery described above.
일부 실시예들에 있어서, 상기 바인더는 상기 전극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량%로 포함될 수 있다.In some embodiments, the binder may be included in an amount of 1 to 10% by weight based on the total weight of the electrode mixture.
예시적인 실시예들에 따르면, 이차 전지용 전극은 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면에 형성된 상술한 전극 합제를 포함하는 층을 포함할 수 있다.According to exemplary embodiments, an electrode for a secondary battery may include a current collector and a layer including the above-described electrode mixture formed on at least one surface of the current collector.
예시적인 실시예들에 따르면, 리튬 이차 전지는 상술한 전극을 포함할 수 있다.According to example embodiments, a lithium secondary battery may include the electrode described above.
예시적인 실시예들에 따르면, 이차 전지용 바인더는 구조식 1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체가 다른 단량체들과 중합된 아크릴계 수지를 포함할 수 있다. 이에 따라, 전극 활물질 및 전극 집전체 간의 밀착력이 향상되고, 수명 및 용량 특성이 개선된 리튬 이차 전지가 제공될 수 있다.According to exemplary embodiments, the binder for a secondary battery may include an acrylic resin in which a (meth)acrylate monomer represented by Structural Formula 1 is polymerized with other monomers. Accordingly, a lithium secondary battery with improved adhesion between the electrode active material and the electrode current collector and improved lifespan and capacity characteristics can be provided.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지를 나타내는 개략적인 단면도이다.1 is a schematic plan view showing a secondary battery according to example embodiments.
Figure 2 is a schematic cross-sectional view showing a secondary battery according to example embodiments.
본 발명의 실시예들에 따르면, 특정의 구조식으로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체를 포함하여 중합된 아크릴계 수지를 포함하는 이차 전지용 바인더가 제공될 수 있다. According to embodiments of the present invention, a binder for a secondary battery containing an acrylic resin polymerized with a (meth)acrylate monomer represented by a specific structural formula can be provided.
또한, 상기 이차 전지용 바인더를 포함하며, 전극 활물질 및 전극 집전체 간의 밀착력이 향상되고, 초기 충방전 용량 및 사이클 특성이 향상된 이차 전지용 전극 및 리튬 이차 전지가 제공될 수 있다.In addition, a secondary battery electrode and a lithium secondary battery containing the binder for a secondary battery, improved adhesion between the electrode active material and the electrode current collector, and improved initial charge/discharge capacity and cycle characteristics may be provided.
일부 실시예들에 있어서, 상기 이차 전지용 바인더는 슬러리 기반의 습식 방법 외에도 건식 방법으로 전극을 제조하는 공정에 사용될 수 있으므로, 열처리 공정이 필요하지 않고 유기 용매를 사용하지 않을 수 있다. 따라서, 전극 제조에 있어서 공정이 단축되고 비용이 절감될 수 있으며, 환경 오염의 발생을 줄일 수 있다.In some embodiments, the binder for secondary batteries can be used in a process for manufacturing electrodes by a dry method in addition to a slurry-based wet method, so a heat treatment process is not required and an organic solvent may not be used. Therefore, the process in manufacturing electrodes can be shortened, costs can be reduced, and the occurrence of environmental pollution can be reduced.
본 명세서에서, "(메타)아크릴레이트"라는 용어는 아크릴레이트 및 메타크릴레이트의 총칭일 수 있다.In this specification, the term “(meth)acrylate” may be a general term for acrylate and methacrylate.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
<이차 전지용 바인더><Binder for secondary batteries>
예시적인 실시예들에 따른 이차 전지용 바인더(이하, 바인더로 약칭할 수 있다)는 하기 구조식 1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체를 포함하여 중합된 아크릴계 수지를 포함할 수 있다.A binder for secondary batteries (hereinafter abbreviated as binder) according to exemplary embodiments may include an acrylic resin polymerized with a (meth)acrylate monomer represented by Structural Formula 1 below.
[구조식 1][Structural Formula 1]
구조식 1 중, R1은 수소 원자 또는 메틸기이고, R2는 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이며, L은 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기일 수 있다.In Structural Formula 1, R 1 may be a hydrogen atom or a methyl group, R 2 may be a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and L may be an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms.
예를 들면, R2는 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬기, 수소 원자, 메틸기 또는 에틸기, 혹은 수소 원자 또는 메틸기일 수 있다.For example, R 2 may be a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, a hydrogen atom, a methyl group or an ethyl group, or a hydrogen atom or a methyl group.
예를 들면, L은 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기, 탄소수 1 내지 8의 알킬렌기, 탄소수 1 내지 7의 알킬렌기, 탄소수 1 내지 5의 알킬렌기, 탄소수 1 내지 4의 알킬렌기, 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬렌기일 수 있다. 여기서, 상기 알킬렌기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 치환되거나 비치환된 것일 수 있다.For example, L is an alkylene group with 1 to 10 carbon atoms, an alkylene group with 1 to 8 carbon atoms, an alkylene group with 1 to 7 carbon atoms, an alkylene group with 1 to 5 carbon atoms, an alkylene group with 1 to 4 carbon atoms, or an alkylene group with 1 to 4 carbon atoms. It may be an alkylene group of 3. Here, the alkylene group may be straight chain or branched, and may be substituted or unsubstituted.
일부 실시예들에 있어서, 상기 구조식 1 중 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 메틸기이고, L은 탄소수 1 내지 4의 알킬렌기일 수 있다.In some embodiments, in Structural Formula 1, R 1 and R 2 are each independently a hydrogen atom or a methyl group, and L may be an alkylene group having 1 to 4 carbon atoms.
예를 들면, L은 에틸렌기 또는 분지쇄 부틸렌기일 수 있다.For example, L may be an ethylene group or a branched-chain butylene group.
일부 실시예들에 있어서, 상기 구조식 1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체는 하기 화학식 1-1 내지 화학식 1-4로 표시되는 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In some embodiments, the (meth)acrylate monomer represented by Structural Formula 1 may include at least one of the compounds represented by Formulas 1-1 to 1-4 below.
[화학식 1-1][Formula 1-1]
[화학식 1-2][Formula 1-2]
[화학식 1-3][Formula 1-3]
[화학식 1-4][Formula 1-4]
상기 구조식 1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체는 시아노 아세테이트 관능기를 갖고 있어, 한 쪽에서 다른 쪽으로 이온을 이동시킬 수 있는 이온 전도성 모노머이므로, 이온 전도도가 높을 수 있다. 따라서, 상기 바인더로부터 형성된 바인더는 이온 전도도가 높고, 상기 바인더를 사용하여 제조된 리튬 이차 전지는 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있어 전지의 효율 및 수명이 향상될 수 있다.The (meth)acrylate monomer represented by Structural Formula 1 has a cyano acetate functional group and is an ion conductive monomer capable of moving ions from one side to the other, so it may have high ionic conductivity. Therefore, the binder formed from the binder has high ionic conductivity, and the lithium secondary battery manufactured using the binder can improve the efficiency and lifespan of the battery because lithium ions can move smoothly.
일부 실시예들에 있어서, 상기 구조식 1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체는 아크릴계 수지 전체 중량을 기준으로 1 내지 20중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서, 바인더의 이온 전도도가 높고, 리튬 이차 전지의 효율 및 수명 특성이 향상될 수 있다. In some embodiments, the (meth)acrylate monomer represented by Structural Formula 1 may be included in an amount of 1 to 20% by weight based on the total weight of the acrylic resin. Within the above range, the ionic conductivity of the binder is high, and the efficiency and lifespan characteristics of the lithium secondary battery can be improved.
일부 실시예들에 있어서, 상기 아크릴계 수지는 i) 탄소수 1 내지 14의 알킬기를 가진 (메타)아크릴레이트 단량체 30 내지 90중량%, ii) 불포화 카본산 및 수산기 함유 불포화 단량체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 단량체 0.5 내지 10중량%, 및 iii) 상기 구조식 1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체 1 내지 20중량%를 포함하여 중합된 것일 수 있다.In some embodiments, the acrylic resin is i) 30 to 90% by weight of a (meth)acrylate monomer having an alkyl group having 1 to 14 carbon atoms, ii) 1 selected from the group consisting of an unsaturated carboxylic acid and an unsaturated monomer containing a hydroxyl group. It may be polymerized including 0.5 to 10% by weight of one or more monomers, and iii) 1 to 20% by weight of a (meth)acrylate monomer represented by Structural Formula 1 above.
상기 단량체들은 함께 혼합된 상태로 투입되어 중합될 수도 있고, 순차적으로 투입되어 중합될 수 있다.The monomers may be added and polymerized in a mixed state, or may be added sequentially and polymerized.
일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소수 1 내지 14의 알킬기를 가진 (메타)아크릴레이트 단량체는 메틸(메타)아크릴레이트, 에틸(메타)아크릴레이트, 프로필(메타)아크릴 레이트, 이소프로필(메타)아크릴레이트, 부틸(메타)아크릴레이트, 이소부틸아크릴레이트, t-부틸메타크릴레이트, 펜틸메타크릴레이트, 헥실메타크릴레이트, 헵틸아크릴레이트, 이소옥틸아크릴레이트, 옥 틸메타크릴레이트, 2-에틸헥실(메타)아크릴레이트, 이소데실아크릴레이트, 데실메타크릴레이트, 도데실메타크 릴레이트, 이소보닐메타크릴레이트, 및 라우릴(메타)아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.In some embodiments, the (meth)acrylate monomer having an alkyl group having 1 to 14 carbon atoms is methyl (meth)acrylate, ethyl (meth)acrylate, propyl (meth)acrylate, and isopropyl (meth)acrylate. Latex, butyl (meth)acrylate, isobutyl acrylate, t-butyl methacrylate, pentyl methacrylate, hexyl methacrylate, heptyl acrylate, isooctyl acrylate, octyl methacrylate, 2-ethylhexyl It may include one or more selected from the group consisting of (meth)acrylate, isodecyl acrylate, decyl methacrylate, dodecyl methacrylate, isobornyl methacrylate, and lauryl (meth)acrylate. .
예를 들면, 상기 탄소수 1 내지 14의 알킬기를 가진 (메타)아크릴산 에스테르 단량체가 갖는 알킬기의 탄소수는 1 내지 14개일 수 있고, 바람직하게는 2 내지 14개일 수 있다. 상기 범위 내에서, 아크릴 수지의 중합 안정성 및 결착성이 향상될 수 있다.For example, the alkyl group of the (meth)acrylic acid ester monomer having an alkyl group having 1 to 14 carbon atoms may have 1 to 14 carbon atoms, and preferably 2 to 14 carbon atoms. Within the above range, polymerization stability and binding properties of the acrylic resin can be improved.
예를 들면, 상기 탄소수 1 내지 14의 알킬기를 가진 (메타)아크릴산 에스테르 단량체는 아크릴계 수지 전체 중량을 기준으로 30 내지 90중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서, 전극 활물질의 전극 집전체에 대한 유연성이 향상되고, 아크릴계 수지의 안정성이 향상될 수 있다.For example, the (meth)acrylic acid ester monomer having an alkyl group having 1 to 14 carbon atoms may be included in an amount of 30 to 90% by weight based on the total weight of the acrylic resin. Within the above range, the flexibility of the electrode active material to the electrode current collector can be improved, and the stability of the acrylic resin can be improved.
일부 실시예들에 있어서, 상기 ii)의 단량체는 아크릴산, 이타콘산, 무수말레인산, 푸마르산, 크로탄산 메타크릴산, 에틸메타크릴산, 히드록시메틸(메타)아크릴레이트, 히드록시에틸(메타)아크릴레이트, 히드록시프로필(메타)아크릴레이트, 히드록시부틸(메타)아크릴레이트, 히드록시헥실(메타)아크릴레이트, 히드록시옥틸(메타)아크릴레이트, 히드록시라우릴(메타)아크릴레이트 및 히드록시프로필렌글리콜(메타)아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.In some embodiments, the monomer of ii) is acrylic acid, itaconic acid, maleic anhydride, fumaric acid, crotanic methacrylic acid, ethyl methacrylic acid, hydroxymethyl (meth)acrylate, and hydroxyethyl (meth)acrylic. Latex, hydroxypropyl (meth)acrylate, hydroxybutyl (meth)acrylate, hydroxyhexyl (meth)acrylate, hydroxyoctyl (meth)acrylate, hydroxylauryl (meth)acrylate and hydroxyl. It may include one or more selected from the group consisting of propylene glycol (meth)acrylate.
예를 들면, 상기 ii)의 단량체는 아크릴계 수지 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 10중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서, 전극 활물질의 전극 집전체에 대한 결착성이 향상되고, 아크릴계 수지의 안정성이 향상될 수 있다.For example, the monomer of ii) may be included in an amount of 0.5 to 10% by weight based on the total weight of the acrylic resin. Within the above range, the binding property of the electrode active material to the electrode current collector may be improved, and the stability of the acrylic resin may be improved.
일부 실시예들에 있어서, 상기 아크릴계 수지는 iv) 스티렌, 불포화 아세테이트 및 불포화 니트릴로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 단량체를 더 포함하여 중합된 것일 수 있다.In some embodiments, the acrylic resin may be polymerized by further including iv) one or more monomers selected from the group consisting of styrene, unsaturated acetate, and unsaturated nitrile.
일부 실시예들에 있어서, 상기 iv)의 단량체는 아세트산 비닐, 스티렌, α-메틸스티렌, β-메틸스티렌, p-t-부틸스티렌, 디비닐벤젠, 아크릴로니트릴 및 메타크릴로니트릴로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.In some embodiments, the monomer of iv) is selected from the group consisting of vinyl acetate, styrene, α-methylstyrene, β-methylstyrene, p-t-butylstyrene, divinylbenzene, acrylonitrile, and methacrylonitrile. It may contain one or more things.
예를 들면, 상기 iv)의 단량체는 아크릴계 수지 전체 중량을 기준으로 5 내지 55중량%로 포함될 수 있고, 바람직하게는 7 내지 45중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서, 전극 활물질의 전극 집전체에 대한 결착성이 향상되고, 아크릴계 수지의 안정성이 향상될 수 있다.For example, the monomer of iv) may be included in an amount of 5 to 55% by weight, preferably 7 to 45% by weight, based on the total weight of the acrylic resin. Within the above range, the binding property of the electrode active material to the electrode current collector may be improved, and the stability of the acrylic resin may be improved.
일부 실시예들에 있어서, 상기 아크릴계 수지는 에폭시기 함유 불포화 단량체를 더 포함하여 중합된 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 에폭시기 함유 불포화 단량체는 글리시딜(메타)아크릴레이트, 알파메틸글 리시딜(메타)아크릴레이트, 알릴글리시딜 에테르, 옥소시클로헥실(메타)아크릴레이트, 3,4-에폭시시클로헥실메 틸(메타)아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. In some embodiments, the acrylic resin may be polymerized by further including an epoxy group-containing unsaturated monomer. For example, the epoxy group-containing unsaturated monomers include glycidyl (meth)acrylate, alphamethylglycidyl (meth)acrylate, allyl glycidyl ether, oxocyclohexyl (meth)acrylate, and 3,4-epoxy. It may include one or more selected from the group consisting of cyclohexylmethyl (meth)acrylate.
예를 들면, 상기 에폭시기 함유 불포화 단량체는 아크릴계 수지 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 3중량%로 포함될 수 있고, 상기 범위 내에서 아크릴계 수지의 중합 안정성이 향상될 수 있다.For example, the epoxy group-containing unsaturated monomer may be included in an amount of 0.1 to 3% by weight based on the total weight of the acrylic resin, and within this range, the polymerization stability of the acrylic resin may be improved.
일부 실시예들에 있어서, 상기 바인더는 멜라민, 이소시아네이트, 알데히드, 아민 및 디아조늄염으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the binder may further include one or more compounds selected from the group consisting of melamine, isocyanate, aldehyde, amine, and diazonium salt.
예를 들면, 상기 구조식 1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체는 단독으로 가교가 가능하므로, 아크릴계 수지의 중합을 위한 별도의 가교제가 필요치 않다. 다만, 상기 화합물이 포함됨으로써, 아크릴계 수지의 중합 후에, 후가교반응을 통해 내전해액성을 확보함에 따라 전지 스웰링을 감소시킬 수 있다.For example, the (meth)acrylate monomer represented by Structural Formula 1 can be crosslinked alone, so a separate crosslinking agent is not needed for polymerization of acrylic resin. However, by including the above compound, battery swelling can be reduced by securing electrolyte resistance through a post-crosslinking reaction after polymerization of the acrylic resin.
일부 실시예들에 있어서, 상기 화합물은 상기 구조식 1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체 1몰 대비 0.1몰 이하로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서, 가교도가 적절하게 되어 전극 활물질 및 전극 집전체 간의 밀착력이 향상될 수 있다.In some embodiments, the compound may be included in an amount of 0.1 mol or less relative to 1 mole of the (meth)acrylate monomer represented by Structural Formula 1. Within the above range, the degree of crosslinking can be made appropriate and the adhesion between the electrode active material and the electrode current collector can be improved.
예를 들면, 상기 이소시아네이트 화합물은 방향족 폴리이소시아네이트, 지방족 폴리이소시아네이트, 방향지방족 폴리이소시아네이트, 및 지환족 폴리이소시아네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.For example, the isocyanate compound may include one or more selected from the group consisting of aromatic polyisocyanate, aliphatic polyisocyanate, araliphatic polyisocyanate, and cycloaliphatic polyisocyanate.
상기 방향족 폴리이소시아네이트의 예로는 1,3-페닐렌디이소시아네이트, 4,4'-디페닐디이소시아네이트, 1,4-페닐렌디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄디이소시아네이트, 2,4-톨릴렌디이 소시아네이트, 2,6-톨릴렌디이소시아네이트, 4,4'-톨루이딘디이소시아네이트, 2,4,6-트리이소시아네이트톨루엔, 1,3,5-트리이소시아네이트벤젠, 디아니시딘디이소시아네이트, 4,4'-디페닐에테르디이소시아네이트, 4,4',4"-트 리페닐메탄트리이소시아네이트, 크실릴렌디이소시아네이트 등을 들 수 있다.Examples of the aromatic polyisocyanate include 1,3-phenylene diisocyanate, 4,4'-diphenyl diisocyanate, 1,4-phenylene diisocyanate, 4,4'-diphenylmethane diisocyanate, and 2,4-tolylene. Diisocyanate, 2,6-tolylene diisocyanate, 4,4'-toluidine diisocyanate, 2,4,6-triisocyanate toluene, 1,3,5-triisocyanate benzene, dianisidine diisocyanate, 4,4' -Diphenyl ether diisocyanate, 4,4',4"-triphenylmethane triisocyanate, xylylene diisocyanate, etc. are mentioned.
상기 지방족 폴리이소시아네이트의 예로는 트리메틸렌디이소시아네이트, 테트라메틸렌디이소시아네이트, 헥사메틸렌디이소시아네이트(HMDI), 펜타메틸렌디이소시아네이트, 1,2-프로필렌디이소시아네이트, 2,3-부틸렌디이소시아네이트, 1,3-부틸렌디이소시아네이트, 도데카메틸렌디이소시아네이트, 2,4,4-트리메틸헥사 메틸렌디이소시아네이트 등을 들 수 있다.Examples of the aliphatic polyisocyanate include trimethylene diisocyanate, tetramethylene diisocyanate, hexamethylene diisocyanate (HMDI), pentamethylene diisocyanate, 1,2-propylene diisocyanate, 2,3-butylene diisocyanate, 1,3- Butylene diisocyanate, dodecamethylene diisocyanate, 2,4,4-trimethylhexamethylene diisocyanate, etc. are mentioned.
상기 방향지방족 폴리이소시아네이트의 예로는 ω,ω'-디이소시아네이트-1,3-디메틸벤젠, ω,ω'-디이소시아네이트-1,4-디메틸벤젠, ω,ω'-디이소시아네이트-1,4-디에틸벤젠, 1,4-테트라메틸크실릴렌디이소시아네이트, 1,3-테트라메틸크실릴렌디이소시아네이트 등을 들 수 있다.Examples of the aromatic aliphatic polyisocyanate include ω, ω'-diisocyanate-1,3-dimethylbenzene, ω, ω'-diisocyanate-1,4-dimethylbenzene, ω, ω'-diisocyanate-1,4- Diethylbenzene, 1,4-tetramethylxylylene diisocyanate, 1,3-tetramethylxylylene diisocyanate, etc. are mentioned.
상기 지환족 폴리이소시아네이트의 예로는 3-이소시아네이트메틸-3,5,5-트리메틸시클로헥실이소시아네이트, 1,3-시클로펜탄디이소시아네이트, 1,3-시클로헥산디이소시아네이트, 1,4-시클로헥산디이소시아네이트, 메틸-2,4-시클로헥산디이소시아네이트, 메틸-2,6-시클로헥산디이소시아네이트, 4,4'-메틸렌비스(시클로헥실이소시아네이트), 1,4-비스(이소시아네이트메틸)시클로헥산 등을 들 수 있다.Examples of the cycloaliphatic polyisocyanate include 3-isocyanate methyl-3,5,5-trimethylcyclohexylisocyanate, 1,3-cyclopentane diisocyanate, 1,3-cyclohexane diisocyanate, and 1,4-cyclohexane diisocyanate. , methyl-2,4-cyclohexane diisocyanate, methyl-2,6-cyclohexane diisocyanate, 4,4'-methylenebis(cyclohexylisocyanate), 1,4-bis(isocyanatemethyl)cyclohexane, etc. You can.
예를 들면, 상기 알데히드는 포르말린 및 파라포름알데히드 중 적어도 하나일 수 있다.For example, the aldehyde may be at least one of formalin and paraformaldehyde.
예를 들면, 상기 아민은 지방족 아민, 방향지방족 아민, 및 지환족 아민으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.For example, the amine may be one or more selected from the group consisting of aliphatic amines, araliphatic amines, and cycloaliphatic amines.
일부 실시예들에 있어서, 상기 이차 전지용 바인더는 스티렌-부타디엔고무(styrene butadiene rubber, SBR), 폴리비닐알코올 (poly vinyl alcohol), 폴리아크릴산(poly acrylic acid, PAA), 카르복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose, CMC), 히드록시프로필셀룰로오스(Hydroxypropylcellulose) 및 디아세틸셀룰로오스 (diacetylcellulose)로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 흑연 계열 활물질과의 정합성을 위해 스티렌-부타디엔고무 또는 폴리아크릴산을 포함할 수 있다.In some embodiments, the binder for secondary batteries is styrene-butadiene rubber (SBR), polyvinyl alcohol (poly vinyl alcohol), poly acrylic acid (PAA), carboxymethyl cellulose, It may further include at least one selected from the group consisting of CMC), hydroxypropylcellulose, and diacetylcellulose. Preferably, it may contain styrene-butadiene rubber or polyacrylic acid for compatibility with graphite-based active materials.
이에 따라, 이차 전지용 바인더의 혼합성이 향상될 수 있으며, 전극 합제 내에서의 분산성 및 코팅성이 개선될 수 있다. 따라서, 상기 바인더를 포함하는 이차 전지용 전극의 초기 효율, 충방전 용량 및 고온 안정성이 향상될 수 있다.Accordingly, the mixing properties of the binder for secondary batteries can be improved, and the dispersibility and coating properties within the electrode mixture can be improved. Accordingly, the initial efficiency, charge/discharge capacity, and high temperature stability of the secondary battery electrode containing the binder can be improved.
일부 실시예들에 있어서, 상기 아크릴계 수지를 제조하기 위한 상기 단량체들의 중합 반응은, 반응열의 제어가 용이한 유화 중합이 이용될 수 있다.In some embodiments, the polymerization reaction of the monomers to produce the acrylic resin may be emulsion polymerization in which the heat of reaction can be easily controlled.
예를 들면, 물, 전해질 및 계면 활성제를 반응기에 투여한 후, 80℃로 승온시켜 산소를 제거하고 개시제를 용해시켜 용액을 제조할 수 있다. 별도로, 상기 단량체들을 배합한 혼합물에 물, 전해질 및 계면 활성제를 투여하여 유화액을 제조할 수 있다. For example, after adding water, electrolyte, and surfactant to the reactor, the temperature is raised to 80°C to remove oxygen and dissolve the initiator to prepare a solution. Separately, an emulsion can be prepared by adding water, electrolyte, and surfactant to the mixture of the above monomers.
상기 용액에 상기 유화액 및 개시제를 연속 투입하고, 80℃로 승온 후 상온 냉각시켜 아크릴계 수지를 제조할 수 있다. 상기 아크릴계 수지의 pH는 6 내지 9로 조절될 수 있고, 바람직하게는 7 내지 8로 조절될 수 있다.An acrylic resin can be prepared by continuously adding the emulsion and initiator to the solution, raising the temperature to 80°C, and then cooling to room temperature. The pH of the acrylic resin can be adjusted to 6 to 9, preferably 7 to 8.
예를 들면, 상기 개시제는 암모늄 또는 알칼리 금속의 과황산염, 과산화수소, 퍼옥시드, 히드록퍼옥시드 등의 수용성 중합 개시제를 포함할 수 있다. For example, the initiator may include a water-soluble polymerization initiator such as ammonium or alkali metal persulfate, hydrogen peroxide, peroxide, and hydroperoxide.
예를 들면, 저온 하에 유화중합 반응을 수행하기 위해 1종 이상의 환원제를 함께 사용할 수도 있다. 상기 환원제의 예로는 소듐 바이설파이트, 소듐 메타바이설파이트, 소듐 하이드로설파이트, 소듐티오설페이트, 소듐 포름 알데히드 설폭시레이트, 아스코르브산 등을 들 수 있다.For example, one or more reducing agents may be used together to perform an emulsion polymerization reaction at low temperature. Examples of the reducing agent include sodium bisulfite, sodium metabisulfite, sodium hydrosulfite, sodium thiosulfate, sodium formaldehyde sulfoxylate, ascorbic acid, etc.
예를 들면, 상기 중합 반응의 온도는 0 내지 100℃일 수 있고, 바람직하게는 40 내지 90℃일 수 있다.For example, the temperature of the polymerization reaction may be 0 to 100°C, preferably 40 to 90°C.
예를 들면, 상기 전해질은 pH를 조절하고, 중합되는 아크릴계 수지에 안정성을 부여할 수 있다. 상기 전해질은 소듐 바이카보네이트, 소듐 카보네이트, 소듐 포스페이트, 소듐 설페이트 및 소듐 클로라이드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.For example, the electrolyte can adjust pH and provide stability to the acrylic resin being polymerized. The electrolyte may include one or more selected from the group consisting of sodium bicarbonate, sodium carbonate, sodium phosphate, sodium sulfate, and sodium chloride.
예를 들면, 상기 계면활성제는 상기 중합 반응 시 초기 입자 생성, 생성된 입자의 크기 조절 및 입자의 안정성 등을 위해 사용될 수 있다. 계면활성제는 친수성기와 친유성기로 구성되어 있고, 음이온 계면활성제, 양이온 계면활성제 및 비이온 계면활성제 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. For example, the surfactant may be used to generate initial particles during the polymerization reaction, control the size of the generated particles, and stabilize the particles. The surfactant consists of a hydrophilic group and a lipophilic group, and may include at least one of an anionic surfactant, a cationic surfactant, and a nonionic surfactant.
예를 들면, 상기 아크릴계 수지의 산도(pH)는 알칼리성 물질에 의해 조정될 수 있다. 상기 알칼리성 물질의 예로는 1가 금속 또는 2가 금속의 수산화물, 염화물, 탄산염 등의 무기물, 암모니아 또는 유기 아민 등을 들 수 있다.For example, the acidity (pH) of the acrylic resin can be adjusted by an alkaline substance. Examples of the alkaline substance include inorganic substances such as hydroxides, chlorides, and carbonates of monovalent or divalent metals, ammonia, or organic amines.
<이차 전지용 전극><Electrode for secondary battery>
예시적인 실시예들에 따른 이차 전지용 전극 합제는 상술한 이차 전지용 바인더 및 전극 활물질을 포함할 수 있다.The electrode mixture for secondary batteries according to exemplary embodiments may include the binder and electrode active material for secondary batteries described above.
일부 실시예들에 있어서, 상기 바인더는 상기 전극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량%로 포함될 수 있고, 바람직하게는 1.5 내지 8 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서, 전극 활물질의 전극 집전체에 대한 밀착성, 유연성, 및 결착성이 향상될 수 있고, 바인더의 이온 전도도가 높아져 전자의 이동은 방지하되 리튬 이온이 원활히 이동할 수 있어 전극 내 저항 증가를 방지할 수 있으며, 고에너지 밀도가 제공될 수 있다. 따라서, 리튬 이차 전지의 전기적 특성이 향상될 수 있다.In some embodiments, the binder may be included in an amount of 1 to 10% by weight, preferably 1.5 to 8% by weight, based on the total weight of the electrode mixture. Within the above range, the adhesion, flexibility, and binding properties of the electrode active material to the electrode current collector can be improved, and the ionic conductivity of the binder increases, preventing the movement of electrons but allowing lithium ions to move smoothly, increasing resistance within the electrode. This can be prevented, and high energy density can be provided. Therefore, the electrical characteristics of the lithium secondary battery can be improved.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전극 합제는 도전재 및 충진재 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the electrode mixture may further include at least one of a conductive material and a filler.
예를 들면, 상기 도전재의 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼 네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루 미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산 화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등을 들 수 있다.For example, examples of the conductive material include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives, etc. can be mentioned.
상기 충진재는 음극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용될 수 있다. 충진재의 예로는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질을 들 수 있다.The filler may be optionally used as a component to suppress expansion of the cathode. Examples of fillers include olipine polymerizers such as polyethylene and polypropylene; Examples include fibrous materials such as glass fiber and carbon fiber.
예시적인 실시예들에 따른 이차 전지용 전극은 상기 전극 합제가 전극 집전체에 도포될 수 있다.In electrodes for secondary batteries according to exemplary embodiments, the electrode mixture may be applied to an electrode current collector.
예시적인 실시예들에 따른 이차 전지용 전극은 집전체 및 상기 집전체의 적어도 일면에 형성된 상술한 전극 합제를 포함하는 층을 포함할 수 있다.Electrodes for secondary batteries according to example embodiments may include a current collector and a layer containing the above-described electrode mixture formed on at least one surface of the current collector.
이차 전지용 전극이 슬러리 기반의 습식 방법뿐만 아니라 건식 방법으로 제조될 수 있다. 건식 방법으로 제조되는 경우, 열처리 공정이 필요하지 않아 공정을 단축시키고 비용이 절감될 수 있으며, 유기 용매를 사용하지 않기 때문에 건조 공정이 필요하지 않아 공정이 단축되고, 비용이 절감되며, 환경 오염의 발생을 줄일 수 있다.Electrodes for secondary batteries can be manufactured by a dry method as well as a slurry-based wet method. When manufactured using a dry method, a heat treatment process is not required, which can shorten the process and reduce costs. Since organic solvents are not used, a drying process is not required, which shortens the process, reduces costs, and reduces environmental pollution. occurrence can be reduced.
예를 들면, 이차 전지용 전극은 전극 활물질 및 상기 바인더를 용매 없이 건식으로 혼합하여 전극 합제를 제조하고, 상기 전극 합제를 전극 집전체의 표면에 부착시키고 압연하여 제조될 수 있다.For example, an electrode for a secondary battery can be manufactured by mixing an electrode active material and the binder in a dry manner without a solvent to prepare an electrode mixture, attaching the electrode mixture to the surface of an electrode current collector, and rolling it.
상기 전극은 양극 또는 음극일 수 있다.The electrode may be an anode or a cathode.
상기 양극 집전체의 두께는 3 내지 500㎛일 수 있다. 예를 들면, 상기 양극 집전체는 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것을 포함할 수 있다.The thickness of the positive electrode current collector may be 3 to 500㎛. For example, the positive electrode current collector may include stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc.
상기 음극 집전체의 두께는 3 내지 500㎛일 수 있다. 예를 들면, 음극 집전체는 금, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄, 구리 또는 이들의 합금을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 구리 또는 구리 합금을 포함할 수 있다. The thickness of the negative electrode current collector may be 3 to 500 μm. For example, the negative electrode current collector may include gold, stainless steel, nickel, aluminum, titanium, copper, or an alloy thereof, and preferably includes copper or a copper alloy.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2), 리튬 망간 산화물, 리튬 동 산화물(Li2CuO2), 바나듐 산화물, 리튬 망간 복합 산화물디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 포함할 수 있다.The positive electrode active materials include lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide, lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ), vanadium oxide, lithium manganese complex oxide disulfide compounds; It may include Fe 2 (MoO 4 ) 3 and the like.
상기 음극 활물질은 탄소계 활물질 및/또는 규소계 활물질을 포함할 수 있다.The negative electrode active material may include a carbon-based active material and/or a silicon-based active material.
상기 규소계 활물질은 규소(Si), 규소 산화물(SiOX, 0<x<2), 실리콘 카바이드(Si/C) 또는 규소-금속합금을 포함할 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2 이상이 조합되어 사용될 수 있다.The silicon-based active material may include silicon ( Si ), silicon oxide (SiO These may be used alone or in combination of two or more.
상기 탄소계 활물질은 하드카본, 소프트카본, 소성된 코크스, 메조페이스 피치 탄화물 등의 비정질계 탄소 및/또는 천연흑연, 인조흑연 등의 결정질계 탄소를 포함할 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2 이상이 조합되어 사용될 수 있다.The carbon-based active material may include amorphous carbon such as hard carbon, soft carbon, calcined coke, and mesophase pitch carbide, and/or crystalline carbon such as natural graphite and artificial graphite. These may be used alone or in combination of two or more.
<리튬 이차 전지><Lithium secondary battery>
이하에서는, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예들에 따른 이차 전지를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 발명이 예시적으로 설명된 구체적인 실시 형태로 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, secondary batteries according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. However, this is only illustrative and the present invention is not limited to the specific embodiments described as examples.
도 1 및 도 2은 각각 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면도 및 단면도이다. 예를 들면, 도 2은 도 1에 표시된 I-I' 라인을 따라 리튬 이차 전지의 두께 방향으로 절단한 단면도이다.1 and 2 are schematic plan views and cross-sectional views, respectively, showing secondary batteries according to example embodiments. For example, FIG. 2 is a cross-sectional view cut in the thickness direction of a lithium secondary battery along line II' shown in FIG. 1.
도 1 및 도 2에서 평면 상에서 서로 수직하게 교차하는 두 방향을 제1 방향 및 제2 방향으로 정의한다. 예를 들면, 상기 제1 방향은 리튬 이차 전지의 길이 방향, 상기 제2 방향은 리튬 이차 전지의 너비 방향일 수 있다.1 and 2, two directions that intersect each other perpendicularly on a plane are defined as a first direction and a second direction. For example, the first direction may be the longitudinal direction of the lithium secondary battery, and the second direction may be the width direction of the lithium secondary battery.
한편, 설명의 편의를 위해 도 2에서 양극 및 음극의 도시는 생략되었다.Meanwhile, for convenience of explanation, the anode and cathode are omitted in FIG. 2 .
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 이차 전지는 리튬 이차 전지로서 제공될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 이차 전지는 전극 조립체(150) 및 전극 조립체(150)를 수용하는 케이스(160)를 포함할 수 있다. 전극 조립체(150)는 양극(100), 음극(130) 및 분리막(140)을 포함할 수 있다.Referring to Figures 1 and 2, the secondary battery may be provided as a lithium secondary battery. According to example embodiments, the secondary battery may include an electrode assembly 150 and a case 160 that accommodates the electrode assembly 150. The electrode assembly 150 may include an anode 100, a cathode 130, and a separator 140.
양극(100)은 양극 집전체(105) 및 양극 집전체(105)의 적어도 일면 상에 형성된 양극 활물질층(110)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 양극 활물질층(110)은 양극 집전체(105)의 양면(예를 들면, 상면 및 하면) 상에 형성될 수 있다. 예를 들면, 양극 활물질층(110)은 양극 집전체(105)의 상면 및 저면 상에 각각 코팅될 수 있으며, 양극 집전체(105)의 표면 상에 직접 코팅될 수 있다.The positive electrode 100 may include a positive electrode current collector 105 and a positive electrode active material layer 110 formed on at least one surface of the positive electrode current collector 105. According to example embodiments, the positive electrode active material layer 110 may be formed on both surfaces (eg, the upper and lower surfaces) of the positive electrode current collector 105. For example, the positive electrode active material layer 110 may be coated on the top and bottom surfaces of the positive electrode current collector 105, respectively, or may be directly coated on the surface of the positive electrode current collector 105.
예시적인 실시예에 따르는 양극 집전체(105)는 상술한 바와 같다.The positive electrode current collector 105 according to the exemplary embodiment is as described above.
양극 활물질층(110)은 양극 활물질로서 리튬 금속 산화물을 포함할 수 있으며, 예시적인 실시예들에 따르면 리튬(Li)-니켈(Ni)계 산화물을 포함할 수 있다.The positive electrode active material layer 110 may include lithium metal oxide as a positive electrode active material, and according to exemplary embodiments, may include lithium (Li)-nickel (Ni)-based oxide.
일부 실시예들에 있어서, 양극 활물질층(110)에 포함되는 상기 리튬 금속 산화물은 하기의 화학식 A로 표시될 수 있다.In some embodiments, the lithium metal oxide included in the positive electrode active material layer 110 may be represented by Chemical Formula A below.
[화학식 A][Formula A]
Li1+aNi1-(x+y)CoxMyO2 Li 1+a Ni 1-(x+y) Co x M y O 2
상기 화학식 A 중, -0.05≤α≤0.15, 0.01≤x≤0.2, 0≤y≤0.2이고 M은 Mg, Sr, Ba, B, Al, Si, Mn, Ti, Zr, W로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 0.01≤x≤0.20, 0.01≤y≤0.15 일 수 있다.In the formula A, -0.05≤α≤0.15, 0.01≤x≤0.2, 0≤y≤0.2, and M is selected from the group consisting of Mg, Sr, Ba, B, Al, Si, Mn, Ti, Zr, and W. It may be one or more types of elements. In one embodiment, 0.01≤x≤0.20, 0.01≤y≤0.15.
바람직하게는, 화학식 A 중, M은 망간(Mn)일 수 있다. 이 경우, 니켈-코발트-망간(NCM) 계 리튬 산화물이 상기 양극 활물질로 사용될 수 있다. Preferably, in Formula A, M may be manganese (Mn). In this case, nickel-cobalt-manganese (NCM)-based lithium oxide may be used as the positive electrode active material.
예를 들면, 니켈(Ni)은 리튬 이차 전지의 용량과 연관된 금속으로 제공될 수 있다. 니켈의 함량이 높을수록 리튬 이차 전지의 용량 및 출력이 향상될 수 있으나, 니켈의 함량이 지나치게 증가하는 경우 수명이 저하되며 기계적, 전기적 안정성 측면에서 불리할 수 있다. 예를 들면, 코발트(Co)는 리튬 이차 전지의 전도성 또는 저항과 연관된 금속일 수 있다. 일 실시예에 있어서, M은 망간(Mn)을 포함하며, Mn은 리튬 이차 전지의 기계적, 전기적 안정성과 관련된 금속으로 제공될 수 있다.For example, nickel (Ni) may be provided as a metal associated with the capacity of a lithium secondary battery. The higher the nickel content, the better the capacity and output of the lithium secondary battery. However, if the nickel content is excessively increased, the lifespan may decrease and it may be disadvantageous in terms of mechanical and electrical stability. For example, cobalt (Co) may be a metal associated with the conductivity or resistance of lithium secondary batteries. In one embodiment, M includes manganese (Mn), and Mn may be provided as a metal related to the mechanical and electrical stability of lithium secondary batteries.
상술한 니켈, 코발트 및 망간의 상호 작용을 통해 양극 활물질층(110)로부터 용량, 출력, 저저항 및 수명 안정성이 함께 향상될 수 있다.Capacity, output, low resistance, and lifetime stability can be improved from the positive electrode active material layer 110 through the interaction of nickel, cobalt, and manganese described above.
예를 들면, 양극 활물질을 상술한 바인더를 혼합 및 교반하여 양극 합제를 제조할 수 있고, 필요에 따라 도전재 및 충진재를 더 첨가할 수 있다. 상기 양극 합제를 양극 집전체(105) 상에 코팅한 후, 압축 및 건조하여 양극 활물질층(110)을 형성할 수 있다.For example, a positive electrode mixture can be prepared by mixing and stirring the positive electrode active material and the above-described binder, and additional conductive materials and fillers can be added as needed. After the positive electrode mixture is coated on the positive electrode current collector 105, the positive electrode active material layer 110 can be formed by compression and drying.
예를 들면, 양극 활물질을 용매 없이 상술한 건식 바인더를 혼합 및 교반하여 양극 합제를 제조할 수 있고, 필요에 따라 도전재 및 충진재를 더 첨가할 수 있다. 상기 양극 합제를 양극 집전체(105) 상에 코팅한 후, 압축 및 건조하여 양극 활물질층(110)을 형성할 수 있다(양극 합제를 포함하는 층은 도시 생략). 또한, 상기 양극 합제를 양극 집전체(105)의 표면에 부착한 후, 압연하여 양극(100)을 제조할 수 있다.For example, a positive electrode mixture can be prepared by mixing and stirring the positive electrode active material with the dry binder described above without a solvent, and additional conductive materials and fillers can be added as needed. After the positive electrode mixture is coated on the positive electrode current collector 105, it can be compressed and dried to form the positive electrode active material layer 110 (the layer containing the positive electrode mixture is not shown). Additionally, the positive electrode mixture may be attached to the surface of the positive electrode current collector 105 and then rolled to produce the positive electrode 100.
예를 들면, 상기 도전재는 흑연, 카본 블랙, 탄소 나노 섬유, 탄소 나노 튜브 등과 같은 탄소계열 도전재 및/또는 주석, 산화주석, 산화아연, 산화티타늄, 금속 섬유 등의 금속계열 도전재를 포함할 수 있다.For example, the conductive material may include carbon-based conductive materials such as graphite, carbon black, carbon nanofibers, and carbon nanotubes, and/or metal-based conductive materials such as tin, tin oxide, zinc oxide, titanium oxide, and metal fiber. You can.
일부 실시예들에 있어서, 양극(100)의 전극 밀도는 3.0 내지 3.9g/cc일 수 있으며, 바람직하게는 3.2 내지 3.8g/cc일 수 있다.In some embodiments, the electrode density of the anode 100 may be 3.0 to 3.9 g/cc, and preferably 3.2 to 3.8 g/cc.
음극(130)은 음극 집전체(125) 및 음극 집전체(125)의 적어도 일면 상에 형성된 음극 활물질 층(120)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 음극 활물질 층(120)은 음극 집전체(125)의 양면(예를 들면, 상면 및 하면) 상에 형성될 수 있다. 음극 활물질 층(120)은 음극 집전체(125)의 상면 및 저면 상에 각각 코팅될 수 있다. 예를 들면, 음극 활물질 층(120)은 음극 집전체(125)의 표면 상에 직접 접촉할 수 있다.The negative electrode 130 may include a negative electrode current collector 125 and a negative electrode active material layer 120 formed on at least one surface of the negative electrode current collector 125. According to example embodiments, the negative electrode active material layer 120 may be formed on both surfaces (eg, the top and bottom surfaces) of the negative electrode current collector 125. The negative electrode active material layer 120 may be coated on the top and bottom surfaces of the negative electrode current collector 125, respectively. For example, the negative electrode active material layer 120 may directly contact the surface of the negative electrode current collector 125.
예시적인 실시예에 따르는 음극 집전체(125)는 상술한 바와 같고, 음극 활물질층(120)은 상술한 음극 활물질을 포함할 수 있다.The negative electrode current collector 125 according to the exemplary embodiment is as described above, and the negative electrode active material layer 120 may include the negative electrode active material described above.
예를 들면, 음극 활물질을 상술한 바인더를 혼합 및 교반하여 음극 합제를 제조할 수 있고, 필요에 따라 도전재 및 충진재를 더 첨가할 수 있다. 상기 음극 합제를 음극 집전체(125) 상에 코팅한 후, 압축 및 건조하여 음극 활물질층(120)을 형성할 수 있다.For example, a negative electrode mixture can be prepared by mixing and stirring the negative electrode active material and the above-described binder, and additional conductive materials and fillers can be added as needed. After the negative electrode mixture is coated on the negative electrode current collector 125, the negative electrode active material layer 120 can be formed by compression and drying.
예를 들면, 음극 활물질을 용매 없이 상술한 건식 바인더를 혼합 및 교반하여 음극 합제를 제조할 수 있고, 필요에 따라 도전재 및 충진재를 더 첨가할 수 있다. 상기 음극 합제를 음극 집전체(125) 상에 코팅한 후, 압축 및 건조하여 음극 활물질층(120)을 형성할 수 있다(음극 합제를 포함하는 층은 도시 생략). 또한, 상기 음극 합제를 음극 집전체(125)의 표면에 부착한 후, 압연하여 음극(130)을 제조할 수 있다.For example, a negative electrode mixture can be prepared by mixing and stirring the negative electrode active material with the dry binder described above without a solvent, and additional conductive materials and fillers can be added as needed. After coating the negative electrode mixture on the negative electrode current collector 125, it can be compressed and dried to form the negative electrode active material layer 120 (the layer containing the negative electrode mixture is not shown). Additionally, the negative electrode mixture can be attached to the surface of the negative electrode current collector 125 and then rolled to produce the negative electrode 130.
상기 도전재로서 양극(100) 형성을 위해 사용된 물질들과 실질적으로 동일하거나 유사한 물질들이 사용될 수 있다. Materials that are substantially the same as or similar to those used to form the anode 100 may be used as the conductive material.
예시적인 실시예들에 따르면, 음극 활물질 층(120)의 충전 밀도는 1.4 내지 1.9 g/cc 일 수 있다.According to example embodiments, the charge density of the anode active material layer 120 may be 1.4 to 1.9 g/cc.
일부 실시예들에 있어서, 음극(130)의 면적(예를 들면, 분리막(140)과 접촉 면적) 및/또는 부피는 양극(100)보다 클 수 있다. 이에 따라, 양극(100)으로부터 생성된 리튬 이온이 예를 들면, 중간에 석출되지 않고 음극(130)으로 원활히 이동되어 출력, 용량 특성을 보다 향상시킬 수 있다.In some embodiments, the area (eg, contact area with the separator 140) and/or volume of the cathode 130 may be larger than that of the anode 100. Accordingly, for example, lithium ions generated from the anode 100 can be smoothly moved to the cathode 130 without precipitating in the middle, thereby further improving output and capacity characteristics.
양극(100) 및 음극(130) 사이에는 분리막(140)이 개재될 수 있다. 분리막(140)은 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 포함할 수 있다. 상기 분리막은 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 형성된 부직포를 포함할 수도 있다.A separator 140 may be interposed between the anode 100 and the cathode 130. The separator 140 may include 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. The separator may include a non-woven fabric made of high melting point glass fiber, polyethylene terephthalate fiber, etc.
분리막(140)은 양극(100) 및 음극(130) 사이에서 상기 제2 방향으로 연장하며, 상기 리튬 이차 전지의 두께 방향을 따라 폴딩되어 권취될 수 있다. 이에 따라, 분리막(140)을 통해 복수의 양극들(100) 및 음극들(130)이 상기 두께 방향으로 적층될 수 있다. The separator 140 extends in the second direction between the positive electrode 100 and the negative electrode 130, and may be folded and wound along the thickness direction of the lithium secondary battery. Accordingly, a plurality of anodes 100 and cathodes 130 may be stacked in the thickness direction through the separator 140.
예시적인 실시예들에 따르면, 양극(100), 음극(130) 및 분리막(140)에 의해 전극 셀이 정의되며, 복수의 전극 셀들이 적층되어 예를 들면, 젤리 롤(jelly roll) 형태의 전극 조립체(150)가 형성될 수 있다. 예를 들면, 분리막(140)의 권취(winding), 적층(lamination), 접음(folding) 등을 통해 전극 조립체(150)를 형성할 수 있다.According to exemplary embodiments, an electrode cell is defined by an anode 100, a cathode 130, and a separator 140, and a plurality of electrode cells are stacked, for example, an electrode in the form of a jelly roll. Assembly 150 may be formed. For example, the electrode assembly 150 can be formed through winding, lamination, folding, etc. of the separator 140.
전극 조립체(150)는 케이스(160) 내에 수용되며, 전해질이 함께 케이스(160)내로 주입될 수 있다. 케이스(160)는 예를 들면, 파우치(pouch), 캔 등을 포함할 수 있다.The electrode assembly 150 is accommodated in the case 160, and the electrolyte may be injected into the case 160 together. Case 160 may include, for example, a pouch, a can, etc.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 전해질로서 비수 전해액을 사용할 수 있다.According to exemplary embodiments, a non-aqueous electrolyte solution may be used as the electrolyte.
비수 전해액은 전해질인 리튬염과 유기 용매를 포함하며, 상기 리튬염은 예를 들면 Li+X-로 표현되며 상기 리튬염의 음이온(X-)으로서 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- , CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N- 등을 예시할 수 있다.The non - aqueous electrolyte solution contains a lithium salt as an electrolyte and an organic solvent. The lithium salt is expressed, for example , as Li + 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , PF 6 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , ( CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2 ) 2 N - , (FSO 2 ) 2 N - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - , Examples include SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - .
상기 유기 용매로서 예를 들면, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌 카보네이트, 설포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌 설파이트 및 테트라하이드로퓨란 등을 사용할 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2 이상이 조합되어 사용될 수 있다.Examples of the organic solvent include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and ethylmethyl carbonate (EMC). ), methylpropyl carbonate, dipropyl carbonate, dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, vinylene carbonate, sulfolane, gamma-butyrolactone, propylene sulfite, and tetrahydrofuran can be used. . These may be used alone or in combination of two or more.
도 2에 도시된 바와 같이, 각 전극 셀에 속한 양극 집전체(105) 및 음극 집전체(125)로부터 각각 전극 탭(양극 탭 및 음극 탭)이 돌출되어 외장 케이스(160)의 일 측부까지 연장될 수 있다. 상기 전극 탭들은 외장 케이스(160)의 상기 일측부와 함께 융착되어 외장 케이스(160)의 외부로 연장 또는 노출된 전극 리드(양극 리드(107) 및 음극 리드(127))와 연결될 수 있다. As shown in FIG. 2, electrode tabs (positive electrode tab and negative electrode tab) protrude from the positive electrode current collector 105 and negative electrode current collector 125 belonging to each electrode cell, respectively, and extend to one side of the exterior case 160. It can be. The electrode tabs may be fused together with the one side of the exterior case 160 and connected to electrode leads (positive lead 107 and negative lead 127) extended or exposed to the outside of the exterior case 160.
도 1에서는 양극 리드(107) 및 음극 리드(127)가 리튬 이차 전치 또는 외장 케이스(160)의 동일한 측부에 형성되는 것으로 도시되었으나, 서로 반대 측부에 형성될 수도 있다.In FIG. 1, the positive electrode lead 107 and the negative electrode lead 127 are shown as being formed on the same side of the lithium secondary battery or exterior case 160, but they may be formed on opposite sides of the lithium secondary battery or exterior case 160.
예를 들면, 양극 리드(107)는 외장 케이스(160)의 일 측부에 형성되며, 음극 리드(127)는 외장 케이스(160)의 상기 타 측부에 형성될 수 있다.For example, the positive lead 107 may be formed on one side of the external case 160, and the negative lead 127 may be formed on the other side of the external case 160.
리튬 이차 전지는 예를 들면, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등으로 제조될 수 있다.Lithium secondary batteries can be manufactured, for example, in a cylindrical shape using a can, a square shape, a pouch shape, or a coin shape.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 실시예 및 비교예들을 포함하는 실험예를 제시하나, 이는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, experimental examples including specific examples and comparative examples are presented to aid understanding of the present invention, but this is only illustrative of the present invention and does not limit the scope of the appended claims, and does not limit the scope and technical idea of the present invention. It is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications to the embodiments are possible within the scope, and it is natural that such changes and modifications fall within the scope of the appended patent claims.
<합성예><Synthesis example>
합성예 1(화학식 1-1의 합성)Synthesis Example 1 (Synthesis of Formula 1-1)
[화학식 1-1][Formula 1-1]
2-히드록시에틸 메타크릴레이트 13.014g(0.1mol) 및 시아노아세트산 8.506g(0.1mol)를 디클로로메탄 200mL에 녹인 후, 디시클로헥실카보디이미드를 시약(Reagent)으로 사용하여 질소 분위기에서 24시간 동안 상온에서 반응시켰다. 이후, PVDF membrane Filter를 이용하여 용매를 제거하여, 화학식 1-1(15.719g)를 수득하였다. Dissolve 13.014 g (0.1 mol) of 2-hydroxyethyl methacrylate and 8.506 g (0.1 mol) of cyanoacetic acid in 200 mL of dichloromethane, then use dicyclohexylcarbodiimide as a reagent and react in a nitrogen atmosphere for 24 hours. The reaction was carried out at room temperature for an hour. Afterwards, the solvent was removed using a PVDF membrane filter, and Chemical Formula 1-1 (15.719 g) was obtained.
합성예 2(화학식 1-2의 합성)Synthesis Example 2 (Synthesis of Formula 1-2)
[화학식 1-2][Formula 1-2]
2-히드록시에틸 메타크릴레이트 13.014g(0.1mol) 대신에 2-히드록시부틸 메타크릴레이트 15.820g(0.1mol)을 사용한 것을 제외하고, 상기 합성예 1과 동일하게 진행하여, 화학식 1-2(18.523g)를 수득하였다.Proceed in the same manner as in Synthesis Example 1, except that 15.820 g (0.1 mol) of 2-hydroxybutyl methacrylate was used instead of 13.014 g (0.1 mol) of 2-hydroxyethyl methacrylate, and Formula 1-2 (18.523 g) was obtained.
합성예 3(화학식 1-3의 합성)Synthesis Example 3 (Synthesis of Formula 1-3)
[화학식 1-3][Formula 1-3]
2-히드록시에틸 메타크릴레이트 13.014g(0.1mol) 대신에 2-히드록시에틸 아크릴레이트 11.612g(0.1mol)을 사용한 것을 제외하고, 상기 합성예 1과 동일하게 진행하여, 화학식 1-3(16.219g)를 수득하였다.Proceed in the same manner as Synthesis Example 1, except that 11.612 g (0.1 mol) of 2-hydroxyethyl acrylate was used instead of 13.014 g (0.1 mol) of 2-hydroxyethyl methacrylate, and Formula 1-3 ( 16.219 g) was obtained.
합성예 4(화학식 1-4의 합성)Synthesis Example 4 (Synthesis of Formula 1-4)
[화학식 1-4][Formula 1-4]
2-히드록시에틸 메타크릴레이트 13.014g(0.1mol) 및 시아노아세트산 8.506g(0.1mol) 대신에 2-히드록시에틸 아크릴레이트 11.612g(0.1mol) 및 2-시아노프로판산 9.909g(0.1mol)를 사용한 것을 제외하고, 상기 합성예 1과 동일하게 진행하여, 화학식 1-4(18.883g)를 수득하였다.Instead of 13.014 g (0.1 mol) 2-hydroxyethyl methacrylate and 8.506 g (0.1 mol) cyanoacetic acid, replace 11.612 g (0.1 mol) 2-hydroxyethyl acrylate and 9.909 g (0.1 mol) 2-cyanopropanoic acid. By proceeding in the same manner as Synthesis Example 1, except that mol) was used, Chemical Formula 1-4 (18.883 g) was obtained.
합성예 5(화학식 2-1의 합성)Synthesis Example 5 (Synthesis of Formula 2-1)
[화학식 2-1][Formula 2-1]
2-히드록시에틸 메타크릴레이트 13.014g(0.1mol) 및 시아노아세트산 8.506g(0.1mol) 대신에 2-히드록시에틸 아크릴레이트 11.612g(0.1mol) 및 3-시아노프로판산 9.909g(0.1mol)를 사용한 것을 제외하고, 상기 합성예 1과 동일하게 진행하여, 화학식 2-1(18.883g)를 수득하였다.11.612 g (0.1 mol) 2-hydroxyethyl acrylate and 9.909 g (0.1 mol) 3-cyanopropanoic acid instead of 13.014 g (0.1 mol) 2-hydroxyethyl methacrylate and 8.506 g (0.1 mol) cyanoacetic acid. Mol) was used in the same manner as in Synthesis Example 1, and Chemical Formula 2-1 (18.883 g) was obtained.
<실시예 및 비교예><Examples and Comparative Examples>
실시예 1Example 1
이차 전지용 바인더의 제조Manufacturing of binders for secondary batteries
단량체로서 에틸헥실아크릴레이트(70g), 및 합성예 1에서 얻은 하기 화학식 1-1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체(30g)을, 중합개시제로서 아조비스이소부티로니트릴포함되어 있는 메틸에틸케톤에 첨가하고, 이들을 혼합하여, 70℃에서 약 6시간 동안 중합하였다. 이후 용매 제거를 위해 70℃에서 진공건조를 진행하고, 잔존단량체 제거를 위해 120℃에서 진공건조하였다. 상기와 같은 중합을 통해 단량체들이 중합된 아크릴계 수지를 포함하는 이차 전지용 바인더를 제조하였다.Ethylhexyl acrylate (70 g) as a monomer, and (meth)acrylate monomer (30 g) represented by the following formula 1-1 obtained in Synthesis Example 1, and azobisisobutyronitrile-containing methyl ethyl ketone as a polymerization initiator. were added, mixed, and polymerized at 70°C for about 6 hours. Afterwards, vacuum drying was performed at 70°C to remove the solvent, and vacuum drying was performed at 120°C to remove residual monomers. A binder for a secondary battery containing an acrylic resin in which monomers were polymerized through the above polymerization was manufactured.
[화학식 1-1][Formula 1-1]
이차 전지용 음극의 제조Manufacturing of cathodes for secondary batteries
상기 이차 전지용 바인더 0.2g을 실리콘계 활물질 1g, 천연흑연 8.7g, 그리고 카본블랙 도전재 0.1g을 혼합하여 음극 합제를 제조하였다. 여기서 전체 고형분 함량이 55 중량%가 되도록 물을 후첨하였다. 상기 음극 합제를 닥터 블레이드를 이용하여 구리 호일에 150㎛ 두께로 코팅한 후, 80℃의 드라이 오븐에 넣고 30분간 건조한 뒤, 적당한 두께로 압연하여 음극을 제조하였다.A negative electrode mixture was prepared by mixing 0.2 g of the binder for secondary batteries with 1 g of silicon-based active material, 8.7 g of natural graphite, and 0.1 g of carbon black conductive material. Here, water was added so that the total solid content was 55% by weight. The negative electrode mixture was coated on copper foil to a thickness of 150㎛ using a doctor blade, placed in a dry oven at 80°C, dried for 30 minutes, and then rolled to an appropriate thickness to prepare a negative electrode.
리튬 이차 전지의 제조Manufacturing of lithium secondary batteries
상기 음극을 표면적 1.54cm2의 원형으로 뚫어 이를 작용극으로 하고, 표면적 1.77cm2 원형으로 뚫은 리튬 금속을 대박으로 하여 코인(coin)형 하프셀(half-cell)을 제작하였다. 작용극과 대극사이에 폴리올레핀 미세 다공막으로 만들어진 분리막을 개재시켰으며, 이후 EC(ethyl carbonate):EMC(ethylmethyl carbonate)=3:7 (무게비) 혼합 용매를 사용하고 LiPF6 전해질을 1M의 농도로 용해시킨 전해액을 투입하여 리튬 이차 전지를 제조하였다.The cathode was drilled into a circular shape with a surface area of 1.54 cm 2 to serve as a working electrode, and a coin-type half-cell was manufactured using lithium metal drilled into a circular shape with a surface area of 1.77 cm 2 as a jackpot. A separator made of polyolefin microporous film was interposed between the working electrode and the counter electrode, and then a mixed solvent of EC (ethyl carbonate):EMC (ethylmethyl carbonate) = 3:7 (weight ratio) was used and LiPF 6 electrolyte was added at a concentration of 1M. A lithium secondary battery was manufactured by adding the dissolved electrolyte solution.
실시예 2Example 2
상기 화학식 1-1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체(30g) 대신 합성예 2에서 얻은 하기 화학식 1-2로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체(30g)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지용 바인더, 이차 전지용 음극, 및 리튬 이차 전지를 제조하였다.Example 1 and A binder for a secondary battery, a negative electrode for a secondary battery, and a lithium secondary battery were manufactured using the same method.
[화학식 1-2][Formula 1-2]
실시예 3Example 3
상기 화학식 1-1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체(30g) 대신 합성예 3에서 얻은 하기 화학식 1-3로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체(30g)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지용 바인더, 이차 전지용 음극, 및 리튬 이차 전지를 제조하였다.Example 1 and A binder for a secondary battery, a negative electrode for a secondary battery, and a lithium secondary battery were manufactured using the same method.
[화학식 1-3][Formula 1-3]
실시예 4Example 4
상기 화학식 1-1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체(30g) 대신 합성예 4에서 얻은 하기 화학식 1-4로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체(30g)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지용 바인더, 이차 전지용 음극, 및 리튬 이차 전지를 제조하였다.Example 1 and A binder for a secondary battery, a negative electrode for a secondary battery, and a lithium secondary battery were manufactured using the same method.
[화학식 1-4][Formula 1-4]
비교예 1Comparative Example 1
상기 화학식 1-1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체(30g)를 사용하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지용 바인더, 이차 전지용 음극, 및 리튬 이차 전지를 제조하였다.A binder for a secondary battery, a negative electrode for a secondary battery, and a lithium secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 1, except that the (meth)acrylate monomer (30 g) represented by Chemical Formula 1-1 was not used.
비교예 2Comparative Example 2
상기 화학식 1-1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체(30g) 대신 합성예 5에서 얻은 하기 화학식 2-1로 표시되는 (메타)아크릴레이트 단량체(30g)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지용 바인더, 이차 전지용 음극, 및 리튬 이차 전지를 제조하였다.Example 1 and A binder for a secondary battery, a negative electrode for a secondary battery, and a lithium secondary battery were manufactured using the same method.
[화학식 2-1][Formula 2-1]
비교예 3Comparative Example 3
실시예 1의 이차 전지용 바인더 대신 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지용 음극 및 리튬 이차 전지를 제조하였다.A negative electrode for a secondary battery and a lithium secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 1, except that polyvinylidene fluoride (PVDF) was used instead of the binder for a secondary battery in Example 1.
<실험예><Experimental example>
1. 음극의 접착성 평가1. Evaluation of adhesion of cathode
실시예 및 비교예의 음극들에 대해, 음극 합제를 포함하는 층과 음극 집전체 사이의 접착력을 측정하는 실험을 수행하였다.For the negative electrodes of Examples and Comparative Examples, an experiment was performed to measure the adhesion between the layer containing the negative electrode mixture and the negative electrode current collector.
실시예 및 비교예들의 음극 극판을 일정한 크기로 잘라 슬라이드 글라스에 고정시킨 후, 집전체를 벗겨 내며 180°벗김 강도를 측정하였다. 결과는 5개 이상의 벗김 강도를 측정하여 평균값으로 정하였다.The negative electrode plates of Examples and Comparative Examples were cut to a certain size and fixed on a glass slide, and then the current collector was peeled off and the 180° peel strength was measured. The results were determined as the average value of five or more peeling strengths.
2. 리튬 이차 전지의 충방전 특성 및 수명 특성 평가2. Evaluation of charge/discharge characteristics and lifespan characteristics of lithium secondary batteries
실시예 및 비교예의 리튬 이차 전지들에 대해, 충방전 실험을 수행하였다. 충방전 전류 밀도를 0.1C로 하고 충전 종지 전압을 1.5V(Li/Li+), 방전 종지 전압을 7mV(Li/Li+)로 한 충방전 시험을 2회 시행하였다. 이어서, 충방전 전류 밀도를 0.5C로 하고 충전 종지 전압 1.5V (Li/Li+), 방전 종지 전압을 5mV (Li/Li+)로 한 충방전 시험을 20회 시행하였다. Charge and discharge experiments were performed on the lithium secondary batteries of Examples and Comparative Examples. A charge/discharge test was performed twice with a charge/discharge current density of 0.1C, a charge end voltage of 1.5V (Li/Li+), and a discharge end voltage of 7mV (Li/Li+). Next, charge/discharge tests were performed 20 times with a charge/discharge current density of 0.5C, a charge end voltage of 1.5V (Li/Li+), and a discharge end voltage of 5mV (Li/Li+).
모든 방전은 정전류/정전압으로 행하고, 정전압 충전의 종지 전류는 0.02C로 하였다. 총 53 사이클의 시험을 완료한 후 첫번째 사이클의 충방전효율(방전용량/충전용량, 초기효율)을 구하였다. 그리고 53번째 사이클의 충전 용량을 세번째 사이클의 충전 용량으로 나누는 용량비(53th/3rd)를 구하여 용량유지율로 간주하였다. All discharges were performed at constant current/constant voltage, and the end current of constant voltage charging was 0.02C. After completing a total of 53 cycles of testing, the charge/discharge efficiency (discharge capacity/charge capacity, initial efficiency) of the first cycle was obtained. Then, the capacity ratio (53th/3rd) was calculated by dividing the charging capacity of the 53rd cycle by the charging capacity of the third cycle and was considered as the capacity maintenance rate.
평가결과를 하기의 표 1에 나타내었다.The evaluation results are shown in Table 1 below.
(gf/cm)cathodic adhesion
(gf/cm)
(%)initial efficiency
(%)
(%)Capacity maintenance rate
(%)
상기 표 1을 참조하면, 실시예들의 경우는 음극 접착력, 초기 효율 및 사이클 용량유지율이 높았다. 따라서, 상술한 구조식 1에 포함되는 (메타)아크릴레이트 단량체를 포함하여 중합된 아크릴계 수지를 사용하면, 전극 활물질 및 전극 집전체 간의 밀착력이 향상되고, 바인더의 응집력이 향상되며, 리튬 이차 전지의 수명 및 용량 특성이 향상되는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, the examples had high cathode adhesion, initial efficiency, and cycle capacity maintenance rate. Therefore, when an acrylic resin polymerized including the (meth)acrylate monomer contained in the above-mentioned structural formula 1 is used, the adhesion between the electrode active material and the electrode current collector is improved, the cohesion of the binder is improved, and the lifespan of the lithium secondary battery is improved. And it can be seen that the capacity characteristics are improved.
그러나, 비교예들의 경우, 상기 구조식 1에 포함되는 (메타)아크릴레이트 단량체가 포함되지 않고 중합된 아크릴계 수지를 사용하거나, 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드를 사용함에 따라, 음극 접착력, 초기 효율 및 사이클 용량유지율이 열화하였다.However, in the case of comparative examples, as an acrylic resin polymerized without containing the (meth)acrylate monomer included in Structural Formula 1 was used or polyvinylidene fluoride was used as a binder, the negative electrode adhesion, initial efficiency, and cycle Capacity maintenance rate deteriorated.
100: 양극
105: 양극 집전체
110: 양극 활물질층
120: 음극 활물질 층
125: 음극 집전체
130: 음극
140: 분리막
150: 전극 조립체
160: 케이스100: positive electrode 105: positive electrode current collector
110: positive electrode active material layer 120: negative active material layer
125: negative electrode current collector 130: negative electrode
140: Separator 150: Electrode assembly
160: case
Claims (13)
[구조식 1]
(구조식 1 중, R1은 수소 원자 또는 메틸기이고, R2는 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이며, L은 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기임).
A binder for a secondary battery comprising an acrylic resin polymerized with a (meth)acrylate monomer represented by the following structural formula 1:
[Structural Formula 1]
(In structural formula 1, R 1 is a hydrogen atom or a methyl group, R 2 is a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and L is an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms).
The binder for a secondary battery according to claim 1, wherein in structural formula 1, R 1 and R 2 are each independently a hydrogen atom or a methyl group, and L is an alkylene group having 1 to 4 carbon atoms.
The method according to claim 1, wherein the acrylic resin is i) 30 to 90% by weight of a (meth)acrylate monomer having an alkyl group having 1 to 14 carbon atoms, ii) at least one selected from the group consisting of an unsaturated carboxylic acid and an unsaturated monomer containing a hydroxyl group. A binder for a secondary battery that is polymerized including 0.5 to 10% by weight of monomer, and iii) 1 to 20% by weight of (meth)acrylate monomer represented by Structural Formula 1.
The method of claim 3, wherein the monomer of i) is methyl (meth)acrylate, ethyl (meth)acrylate, propyl (meth)acrylate, isopropyl (meth)acrylate, butyl (meth)acrylate, and isobutyl acrylate. Latex, t-butyl methacrylate, pentyl methacrylate, hexyl methacrylate, heptyl acrylate, isooctyl acrylate, octyl methacrylate, 2-ethylhexyl (meth)acrylate, isodecyl acrylate, decyl A binder for a secondary battery, comprising at least one selected from the group consisting of methacrylate, dodecyl methacrylate, isobornyl methacrylate, and lauryl (meth)acrylate.
The method of claim 3, wherein the monomer of ii) is acrylic acid, itaconic acid, maleic anhydride, fumaric acid, crotanic methacrylic acid, ethyl methacrylic acid, hydroxymethyl (meth)acrylate, hydroxyethyl (meth)acrylate, Hydroxypropyl (meth)acrylate, hydroxybutyl (meth)acrylate, hydroxyhexyl (meth)acrylate, hydroxyoctyl (meth)acrylate, hydroxylauryl (meth)acrylate and hydroxypropylene glycol. A binder for a secondary battery comprising at least one selected from the group consisting of (meth)acrylates.
The binder for a secondary battery according to claim 1, wherein the acrylic resin is polymerized by further comprising iv) one or more monomers selected from the group consisting of styrene, unsaturated acetate, and unsaturated nitrile.
The method of claim 6, wherein the monomer of iv) is one selected from the group consisting of vinyl acetate, styrene, α-methylstyrene, β-methylstyrene, pt-butylstyrene, divinylbenzene, acrylonitrile, and methacrylonitrile. A binder for secondary batteries containing the above.
The binder for a secondary battery according to claim 1, wherein the acrylic resin is polymerized by further including an epoxy group-containing unsaturated monomer.
The binder for a secondary battery according to claim 1, wherein the binder further includes one or more compounds selected from the group consisting of melamine, isocyanate, aldehyde, amine, and diazonium salt.
The binder for a secondary battery according to claim 9, wherein the compound is contained in an amount of 0.1 mol or less based on 1 mole of the (meth)acrylate monomer represented by Structural Formula 1.
An electrode mixture for a secondary battery comprising the binder for a secondary battery and an electrode active material according to claim 1.
An electrode for a secondary battery, comprising a current collector and a layer containing the electrode mixture according to claim 11 formed on at least one surface of the current collector.
A lithium secondary battery comprising the electrode according to claim 12.
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