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KR-20260061847-A - POSITIVE ELECTRODE SLURRY

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Abstract

본 발명의 양극 슬러리는, 양극 활물질, 바인더, 및 선택적으로 도전재를 포함하는 양극 슬러리에 있어서, 양극 활물질의 D10은 120nm 이상 160nm 이하이고, D50은 140nm 이상 200nm 이하이다.

Inventors

  • 이정민
  • 장인혁
  • 손정우
  • 김선형
  • 이제권

Assignees

  • 주식회사 엘지에너지솔루션

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (7)

  1. 양극 활물질, 바인더, 및 선택적으로 도전재를 포함하는 양극 슬러리에 있어서, 상기 양극 활물질의 D10은 120nm 이상 160nm 이하이고, D50은 140nm 이상 200nm 이하인 양극 슬러리.
  2. 제1항에서, 상기 양극 활물질의 D50은 140nm 이상 180nm 이하인 것인 양극 슬러리.
  3. 제1항에서, 상기 양극 활물질은 리튬-철-인산계 산화물을 포함하는 것인 양극 슬러리.
  4. 제1항에서, 상기 양극 슬러리의 점도는 10,000 mPa·s 이상 15,000 mPa·s 미만인 것인 양극 슬러리.
  5. 제1항에서, 상기 양극 슬러리를 4일 동안 보관하였을 때의 점도는 10,000 mPa·s 이상 20,000 mPa·s 미만인 것인 양극 슬러리.
  6. 제1항에서, 유기 용매를 더 포함하는 것인 양극 슬러리.
  7. 제1항에서, 상기 양극 활물질의 중량은 5 중량% 이상 99 중량% 이하, 상기 바인더의 중량은 1 중량% 이상 30 중량% 이하, 상기 도전재의 중량은 0 중량% 이상 30 중량% 이하이고, 상기 양극 활물질, 상기 바인더, 및 상기 도전재의 중량의 합은 100 중량% 이하인 것인 양극 슬러리.

Description

양극 슬러리{POSITIVE ELECTRODE SLURRY} 본 발명은 양극 슬러리에 관한 것으로, 보다 구체적으로 미분을 포함하지 않음으로써, 점도가 향상되고 공정성 및 저장 보관성이 우수한 양극 슬러리에 관한 것이다. 화석 연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지, 청정 에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다. 현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다. 최근에는 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라, 대기 오염의 주 원인 중 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석 연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등에 대한 연구, 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로서 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 갖는 리튬 이차전지가 고려되어 널리 상용화되고 있다. 리튬 이차전지는 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극과 음극, 및 양극과 음극 사이에 배치된 분리막을 포함하는 전극 조립체를 포함한다. 높은 용량 특성을 갖는 리튬 이차전지를 제조하기 위해서는, 양극에 포함되는 양극 활물질의 소재 자체를 변경하거나, 양극 활물질층에 포함되는 양극 활물질의 단위 면적당 함량을 증가시킬 필요가 있다. 참고로, 양극 활물질은 바인더, 도전재, 첨가제, 및 용매와 함께 혼합되어 양극 슬러리로 제조되고, 집전체 상에 양극 슬러리를 코팅 및 건조하여 양극이 제조된다. 슬러리는 가공 조건 및 조성에 따라 분산상이 달라지는데, 슬러리의 분산성은 공정의 불량 발생 여부에 크게 영향을 미치는 중요 요소이다. 그러나 전술한 개발 과정이나 개발 후 저장 과정에서 슬러리의 점도가 급격히 상승하여, 양극 제조 공정 과정 중 슬러리의 이송 과정 등에서 이송 배관이 막히거나, 상기 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 과정에서 양호한 코팅성이 발현되지 못하는 문제가 다수 발생하였다. 상술한 제반 문제로 인해, 슬러리의 분산성을 개선할 수 있는 양극 슬러리의 개발이 지속적으로 요구되고 있다. 도 1은 양극 슬러리들의 전단 속도에 따른 점도를 나타낸 그래프이다. 도 2는 양극 슬러리들의 저장 일(day) 수에 따른 점도를 나타낸 그래프이다. 이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 슬러리는, 양극 활물질, 바인더, 및 선택적으로 도전재를 포함하는 양극 슬러리에 있어서, 상기 양극 활물질의 D10은 120nm 이상 160nm 이하이고, D50은 140nm 이상 200nm 이하이다. 본 발명의 양극 슬러리는 양극 활물질, 바인더, 및 선택적으로 도전재를 유기 용매 하에 1회 이상 믹싱하여 제조될 수 있다. 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation)이 가능한 화합물로서 당 업계에 알려진 화합물이 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 양극 활물질은 코발트, 망간, 니켈, 또는 알루미늄과 같은 1종 이상의 금속 및 리튬을 포함하는 리튬 복합 금속 산화물일 수 있다. 구체적으로, 리튬 복합 금속 산화물의 예로는 리튬-철-인산계 산화물(예를 들면, Li1+aFe1-sMs(PO4-b-)Xb(여기에서, M은 Co, Ni, Al, Mg, Ti 및 V에서 선택된 하나 이상의 원소이고, X는 F, S, 또는 N이며, -0.5≤a≤+0.5, 0≤b≤0.1, 0≤s≤0.5) 등), 리튬-망간계 산화물(예를 들면, LiMnO2, LiMn2O4 등), 리튬-코발트계 산화물(예를 들면, LiCoO2 등), 리튬-니켈계 산화물(예를 들면, LiNiO2 등), 리튬-니켈-망간계 산화물(예를 들면, LiNi1-YMnYO2(여기에서, 0<Y<1)), LiMn2-zNizO4(여기에서, 0＜Z＜2) 등), 리튬-니켈-코발트계 산화물(예를 들면, LiNi1-Y1CoY1O2(여기에서, 0<Y1<1) 등), 리튬-망간-코발트계 산화물(예를 들면, LiCo1-Y2MnY2O2(여기에서, 0<Y2<1), LiMn2-Z1CoZ1O4(여기에서, 0＜Z1＜2) 등), 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물(예를 들면, Li(NipCoqMnr1)O2(여기에서, 0＜p＜1, 0＜q＜1, 0＜r1＜1, p+q+r1=1) 또는 Li(Nip1Coq1Mnr2)O4(여기에서, 0＜p1＜2, 0＜q1＜2, 0＜r2＜2, p1+q1+r2=2) 등), 또는 리튬-니켈-코발트-전이금속(M) 산화물(예를 들면, Li(Nip2Coq2Mnr3MS2)O2(여기에서, M은 Al, Fe, V, Cr, Ti, Ta, Mg 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이고, p2, q2, r3 및 s2는 각각 독립적인 원소들의 원자 분율로서, 0＜p2＜1, 0＜q2＜1, 0＜r3＜1, 0＜s2＜1, p2+q2+r3+s2=1이다) 등) 등을 들 수 있다. 일 실시예에서, 양극 활물질은 리튬-철-인산계 산화물을 포함하는 것일 수 있다. 리튬-철-인산계 산화물의 경우 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물에 비해서 활물질의 입자가 작고, 반 데르 발스의 힘(Van Dar Walls Force)에 의해 활물질 입자들 사이에 강한 상호작용이 존재한다. 본 발명은, 리튬-철-인산계 산화물을 양극 활물질로 포함하는 양극 슬러리에 대해, 양극 활물질의 입경을 제어하여, 양극 슬러리 내 양극 활물질이 균일하게 분산되며, 제조 공정 시 바람직한 점도를 확보할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 양극 활물질의 D10은 120nm 이상 160nm 이하이고, D50은 140nm 이상 200nm 이하이다. 본 명세서에서 "D10"은 양극 활물질의 누적 입도 분포 백분율이 10%에 도달했을 때 대응하는 입경을 의미한다. 즉, 본 발명의 양극 활물질의 D10이 120nm 이상 160nm 이하인 것은, 양극 활물질의 누적 입도 분포 백분율이 10%에 도달했을 때 대응하는 입경이 120nm 이상 160nm 이하인 것을 나타낸다. 또한 "D50"은 양극 활물질의 누적 입도 분포 백분율이 50%에 도달했을 때 대응하는 입경을 의미한다. 즉, 본 발명의 양극 활물질의 D50이 140nm 이상 200nm 이하인 것은, 양극 활물질의 누적 입도 분포 백분율이 50%에 도달했을 때 대응하는 입경이 140nm 이상 200nm 이하인 것을 나타낸다. 바람직하게는, 양극 활물질의 D50은 140nm 이상 180nm 이하일 수 있다. 본 발명의 양극 활물질은, 미분을 포함하지 않음에 따라 위와 같은 평균 입경을 갖는다. 또한 위와 같은 입경을 가짐에 따라, 양극 활물질이 슬러리 내 균일하게 분산되어 양극 슬러리의 분산성이 향상되고, 양극 슬러리의 점도가 10,000 mPa·s 이상 15,000 mPa·s 미만을 만족하며, 공정 효율성이 향상될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 양극 슬러리는 상기와 같은 입경을 가짐에 따라, 우수한 저장 안정성을 나타낼 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 양극 슬러리는 섭씨 23도의 환경에서 4일 동안 저장한 후에도, 양극 슬러리의 점도가 10,000 mPa·s 이상 20,000 mPa·s 미만을 만족하여 우수한 안정성을 가진다. 바인더는 활물질과 도전재 사이의 결합 및 집전체에 대한 결합을 높이기 위하여 사용한다. 바인더의 비제한적인 예로는, 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리아크릴산(PAA), 폴리메타크릴산(PMA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 폴리아크릴아미드(PAM), 폴리메타크릴아미드, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메타크릴로니트릴, 폴리이미드(PI), 알긴산(Alginic acid), 알지네이트(Alginate), 키토산(Chitosan), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 하이드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 및 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있다. 바인더는 양극 슬러리 조성물의 총 중량에 대하여 1 중량% 이상 30 중량% 이하, 상세하게는 1 중량% 이상 10 중량% 이하, 더욱 상세하게는 2 중량% 이상 4 중량% 이하로 포함될 수 있다. 도전재는 양극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위해 사용한다. 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 전기 전도성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본 블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등이 사용될 수 있다. 도전재는 양극 슬러리 조성물의 총 중량에 대하여 1 중량% 이상 30 중량% 이하, 상세하게는 1 중량% 이상 10 중량% 이하, 더욱 상세하게는 1 중량% 이상 5 중량% 이하로 포함될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 양극 활물질, 상기 바인더, 및 상기 도전재의 중량의 합이 100 중량% 이하일 때, 양극 활물질의 중량은 5 중량% 이상 99 중량% 이하, 바인더의 중량은 1 중량% 이상 30 중량% 이하,