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KR-20260061945-A - A binder for a silicon electrode and a silicon electrode including the same

KR20260061945AKR 20260061945 AKR20260061945 AKR 20260061945AKR-20260061945-A

Abstract

본 발명은 실리콘 전극용 바인더에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실리콘 전극용 바인더 및 이를 포함하는 전고체 전지용 실리콘 전극에 관한 것이다. 본 과제(결과물)는 2024년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업의 결과이다(과제관리번호: 2021RIS-002).(This research was supported by "Regional Innovation Strategy (RIS)" through the National Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Education(MOE)(2021RIS-002))

Inventors

  • 박현중
  • 탁희태

Assignees

  • 조선대학교산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (8)

  1. Li-PAA(Lithium Polyacrylate), CMC(Carboxymethyl cellulose) 및 SBR(Styrene butadiene rubber)을 포함하는, 전극 바인더.
  2. 제1항에 있어서, 상기 Li-PAA, 상기 CMC 및 상기 SBR는 7 : 2 : 1의 혼합비(무게 비율)을 갖는 것인, 전극 바인더
  3. 실리콘(Si) 입자, 도전재 및 제1항의 바인더를 포함하는 실리콘 전극.
  4. 제3항에 있어서, 상기 도전재는 카본 블랙(Carbon black)인 것인, 실리콘 전극.
  5. 제3항에 있어서, 상기 실리콘(Si) 입자, 상기 도전재 및 상기 바인더는 7 : 1 : 2의 혼합비(무게 비율)을 갖는 것인, 실리콘 전극.
  6. 제3항의 실리콘 전극을 포함하는 전고체 전지.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전고체 전지는 상대극으로 리튬 금속(Li metal)을 포함하는 것인, 전고체 전지.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전고체 전지는 고체전해질로 LPSCl(LiP 6 S 5 Cl)을 포함하는 것인, 전고체 전지.

Description

실리콘 전극용 바인더 및 이를 포함하는 실리콘 전극{A binder for a silicon electrode and a silicon electrode including the same} 본 발명은 실리콘 전극용 바인더에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실리콘 전극용 바인더 및 이를 포함하는 전고체 전지용 실리콘 전극에 관한 것이다. 최근 기후 변화와 대기오염은 세계적으로 우려되는 문제이며 전세계적으로 화석에너지 소비로 인해서 과도한 이산화탄소(CO2)가 배출되고 있다. 이러한 이유로 내연기관차보다는 친환경 차량인 전기차의 수요가 급증하며 고에너지밀도를 가진 배터리의 필요성이 증가하고 있다. 하지만, 양극의 고에너지 밀도화의 연구는 머지않아 한계점에 다다르고 있으므로 음극에 대한 고에너지 밀도를 가진 소재의 연구가 절실하다. 현재 가장 많이 사용되는 흑연은 372 mAh/g로, 실리콘 4000 mAh/g에 비해 10배 작은 이론적 용량을 가지고 있어 고에너지밀도화 배터리를 만드는데 적합하지 않아 실리콘에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나, 실리콘은 충/방전과정 중에 300%로 부피팽창, 그리고 그로인한 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 층 재형성으로 인한 전해질 소모 및 전극 박리 현상이 생기는 문제점들을 현재 극복하지 못하고 있다. 이러한, 문제점을 해결할 수 있는 대책안으로 전고체 배터리가 주목받고 있다. 더 우수한 전기화학적 안정성, 높은 에너지 밀도 및 안정성을 가지고 있기 때문이다. 가연성 액체전해질보다는 난연성 고체전해질을 사용하여 화재 위험성을 낮추고 실리콘의 가장 큰 문제점인 부피팽창을 전고체 전지 특성 상 고체와 고체의 계면 간 저항을 줄이기 위해서 가압하는 방식을 가지는 데 그 방식을 이용하면 실리콘의 문제점인 부피팽장과 그에 더해 바인더의 특성을 통해서 실리콘의 부피팽창과 음극 극판 전극의 열화를 억제시킬 수 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 바인더의 FT-IR 분석결과를 도시한 것이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 Nano indentation 분석결과를 도시한 것이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산안정성 평가 결과를 도시한 것이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 전극의 전압 프로파일을 도시한 것이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 전극의 사이클 특성 분석 결과를 도시한 것이다. 이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 바인더, 이를 포함하는 실리콘 전극 및 전고체 전지에 대하여 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 바인더는 수계 바인더를 사용한 것으로서, 보다 구체적으로서, 상기 전극 바인더는 Li-PAA(Lithium Polyacrylate), CMC(Carboxymethyl cellulose) 및 SBR(Styrene butadiene rubber)을 포함한다. 상기 Li-PAA는 PAA(Polyacrylate)을 리튬화(Lithiation)하여, 실리콘 전극의 이온전도도를 상승시킨다. 상기 Li-PAA, 상기 CMC 및 상기 SBR는 7 : 2 : 1의 혼합비(무게 비율)을 갖는 것일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 전극은 실리콘(Si) 입자, 도전재 및 상기 바인더를 한다. 상기 도전재는 카본 블랙(Carbon black)일 수 있다. 상기 실리콘(Si) 입자, 상기 도전재 및 상기 바인더는 7 : 1 : 2의 혼합비(무게 비율)을 갖는 것일 수 있다. 상기 실리콘 전극은 전고체 전지에 있어서 음극일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전고체 전지는 상기 실리콘 전극을 포함한다. 상기 전고체 전지는 상대극으로 리튬 금속(Li metal)을 포함할 수 있으며, 상기 리튬 금속은 전고체 전지에 있어서 양극일 수 있다. 상기 전고체 전지는 고체전해질로 LPSCl(LiP6S5Cl)을 포함할 수 있다. 이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 실시예는 본 발명의 이해를 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 실시예. 복합 바인더의 제조 Li-PAA(Lithium Polyacrylate) 분말 10 wt%와 물(H2O) 90 wt%를 혼합하여 Li-PAA 용액을 제조하며, CMC(Carboxymethyl cellulose) 분말 2 wt%와 물(H2O) 98 wt%를 혼합하여 CMC 용액을 제조하며, SBR(Styrene butadiene rubber) 분말 40 wt%와 물(H2O) 60 wt%을 혼합하여 SBR 용액을 제조하였다. Li-PAA 용액, CMC 용액 및 SBR 용액을 하기 표 1의 중량비(w:w:w)로 순차적으로 혼합하여 슬러리 형태의 복합 바인더를 제조한다. 조성비Li-PAA 용액(중량비)CMC 용액(중량비)SBR 용액(중량비)실시예 1721실시예 234.72.3실시예 353.41.6실시예 490.70.3 비교예 1. PAA 바인더의 준비 PAA(Polyacrylate) 바인더 용액(PAA 10 wt% + H2O 90 wt%)을 준비하였다. 비교예 2. Li-PAA 바인더의 준비 Li-PAA(Lithium Polyacrylate) 바인더 용액(Li-PAA 10 wt% + H2O 90 wt%)을 준비하였다. 적용례 1. 실리콘 전극의 제조 실리콘(Si) 입자, 카본 블랙(Carbon black) 도전재 및 실시예 1의 바인더를 각각 7 : 1 : 2의 무게 비율(w:w:w)로 혼합한 후, 혼합물을 플레니터리 믹서(ARE-310, THINKY)를 사용하여 2000 rpm에서 5분간 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리를 닥터 블레이드(doctor blade)를 사용하여 구리 호일 위에 코팅하고 80 ℃ 건조기에서 1차 건조를 진행하였다. 이후, 진공하에서 100 ℃에서 3시간 동안 2차 건조하여 실리콘 전극을 제조하였다. 적용례 2 내지 4. 실리콘 전극의 제조 상기 적용례 1과 동일하게 제조하되, 실시예 2 내지 4의 바인더를 이용하여 적용례 2 내지 4의 실리콘 전극을 제조하였다. 대조군 1. 실리콘 전극의 제조 상기 적용례 1과 동일하게 제조하되, 비교예 1의 바인더를 이용하였다. 대조군 2. 실리콘 전극의 제조 상기 적용례 1과 동일하게 제조하되, 비교예 2의 바인더를 이용하였다. 적용례 1 내지 4, 대조군 1 및 2에서 제조된 전극은 하기 표 2와 같은 바인더를 포함한다. 실리콘 전극바인더적용례 1실시예 1적용례 2실시예 2적용례 3실시예 3적용례 4실시예 4대조군 1비교예 1대조군 2비교예 2 평가예. 전고체 전지의 제조 전고체 전지용 몰드에 대하여 상기 적용례 및 대조군에서 제조된 각각의 실리콘 전극(실시예 1 내지 4, 비교예 1 및 비교예 2에서 준비한 바인더를 포함)(전극 두께: 0.027 mm)과 LPSCl(LiP6S5Cl) 200 mg을 순차적으로 적층한 후 250 MPa의 압력으로 가압하여 1차 펠렛을 제조하였다. 1차 펠렛에 대하여 Li 금속(Li metal)을 적층하여 16 MPa의 압력으로 가압하여 전고체 전지를 제조하였다. 이후, 제조된 전고체 전지에 대하여 토크 렌치를 사용하여 100 kgf·cm로 가압한 상태에서 평가를 진행하였다. 분석예 1. FT-IR 분석 상기 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 준비한 각각의 바인더에 대하여 FT-IR 분석을 수행하였으며, FT-IR 분석결과를 도 1에 도시하였다. 도 1에서 상기 실시예 1의 바인더는 “Li-PAA + CMC”, 상기 비교예 1의 바인더는 “PAA”, 상기 비교예 2의 바인더는 “Li-PAA”로 표기하였다. 도 1을 참조하면, 비교예 1의 바인더(“PAA”)는 1690 cm-1의 -COOH 피크(peak)가 관찰되는 것을 확인할 수 있으며, 비교예 2의 바인더(“Li-PPA”) 및 실시예 1의 바인더(“Li-PAA + CMC”)는 기존의 1690 cm-1의 피크인 -COOH가 사라지고 대신 1547 cm-1 영역에서 -COOLi에 의한 새로운 피크가 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 PAA 바인더에 Li가 lithiaiton 되었음을 확인할 수 있다. 분석예 2. Nano indentation 분석 상기 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 준비한 각각의 바인더에 대하여 Nano indentation 분석을 통하여 각각의 바인더에 물성을 평가하여, 가한 힘(Load)에 대한 침투 깊이(penertraion Depth)를 도 2에 도시하였다. 도 2에서 상기 실시예 1의 바인더는 “Li-PAA/CMC”, 상기 비교예 1의 바인더는 “PAA”, 상기 비교예 2의 바인더는 “Li-PAA”로 표기하였다. 또한, 상기 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 준비한 각각의 바인더에 대한 경도(Hardness), 탄성율(Elastric Modulus) 및 탄성회복(Elastic Recovery) 분석 결과를 하기 표 3에 정리하였다. 바인더경도(GPa)탄성률(GPa)탄성회복(%)실시예 11.44912.83752.94비교예 10.96419.06633.41비교예 20.5469.00538.18 분석예 3. Turbiscan Stability 분석 상기 실시예 1 및 비교예 2에서 준비한 각각의 바인더에 대하여 분산안정성 평가(Turbiscan Stability)를 수행하였으며, 그에 따른 분석 결과를 도 3의 (a)에 도시하였으며, 점도(Viscosity) 분석결과를 도 3의 (b)에 도시하였다. 도 3에서 상기 실시예 1의 바인더는 “Li-PAA/CMC”, 상기 비교예 2의 바인더는 “Li-PAA”로 표기하였다. 도 3을 참조하면, 실시예 1의 바인더(“Li-PAA/CMC”)의 경우, 비교예 2의 바인더(“Li-PAA”) 대비 “CMC”의 추가에도 불구하고 일정 수준의 분산 안정성을 유지하고 있으며(도 3의 (a)), 동시에 낮은 점도를 가지고 있어 대량 생산시 바인더 슬러리의 캐스팅을 용이하게 수행할 수 있으므로 바인더의 대량 생산성이