KR20190083916A - A separator having porous coating layer and lithium metal secondary battery including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다공성 코팅층을 포함하는 세퍼레이터 및 그를 포함하는 리튬 금속 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 리튬 덴드라이트 성장을 억제하여, 전지의 수명 및 안전성이 향상된 세퍼레이터 및 그를 포함하는 리튬 금속 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a separator including a porous coating layer and a lithium metal secondary battery including the separator. More particularly, the present invention relates to a separator having improved lithium dendrite growth and improved battery life and safety, and a lithium metal secondary battery .
전기, 전자, 통신 및 컴퓨터 산업이 급속히 발전함에 따라 고용량 전지에 대한 요구가 갈수록 증가하고 있다. 이와 같은 요구에 부응하여 고에너지 밀도를 갖는 음극으로서 리튬 금속 또는 리튬 합금을 음극으로 이용한 리튬 금속 이차전지가 주목 받고 있다.As the electrical, electronic, communication and computer industries rapidly develop, there is a growing demand for high capacity batteries. In response to this demand, a lithium metal secondary battery using lithium metal or a lithium alloy as a cathode as a cathode having a high energy density has received attention.
리튬 금속 이차전지란 음극으로서 리튬 금속 또는 리튬 합금을 사용한 이차전지이다. 리튬 금속은 밀도가 0.54 g/cm3로 낮고 표준 환원전위 도―3.045V(SHE: 표준 수소 전극을 기준)로 매우 낮아 고에너지 밀도 전지의 전극 재료로서 가장 주목 받고 있다.A lithium metal secondary battery is a secondary battery using a lithium metal or a lithium alloy as a cathode. The lithium metal has a low density of 0.54 g / cm 3 and a standard reduction potential of -3.045 V (SHE: based on standard hydrogen electrode). Thus, lithium metal has attracted the greatest attention as an electrode material for high energy density cells.
이러한 리튬 금속 이차전지의 경우 기존의 리튬 이온 이차전지와 달리 음극에 리튬 금속이 플레이팅(plating)되며 충전되고, 스트리핑(stripping)되며 방전되는데, 리튬 금속 표면이 균일하지 않을 경우, 충방전 과정 중에 리튬의 손실이 많이 발생하여 수명 성능이 감소하는 특성이 있다. 따라서 리튬 금속의 균일한 플레이팅과 스트리핑을 위해서는 초기 리튬 금속의 표면 조성과 형상을 잘 제어해야 한다.In the case of such a lithium metal secondary battery, unlike a conventional lithium ion secondary battery, a lithium metal is plated, charged, stripped and discharged to the cathode. When the lithium metal surface is not uniform, There is a characteristic in which the loss of lithium is large and the lifetime performance is reduced. Therefore, for uniform plating and stripping of the lithium metal, the surface composition and shape of the initial lithium metal must be well controlled.
하지만 높은 반응성을 가진 리튬 금속의 특성상, 셀 조립 이전에 수행하는 금속 표면 처리가 셀 조립 이후에도 유지되기 어렵다는 한계가 있다.However, due to the nature of the lithium metal with high reactivity, there is a limitation in that the metal surface treatment performed before cell assembly is difficult to maintain even after cell assembly.
이러한 문제를 해결하기 위해 셀 조립 후 활성화 공정에서 리튬 금속을 먼저 스트리핑함으로써, 금속 표면의 부동태막(passivation layer)을 벗겨내어 표면 조성을 균일하게 함과 동시에 리튬 금속의 표면적을 넓게 하여 리튬 금속의 활성도를 높이는 방법이 제안된 바 있다.In order to solve this problem, after stripping the passivation layer of the metal surface by stripping the lithium metal first in the activation process after the cell assembly, the surface composition is made uniform and the surface area of the lithium metal is widened, A method of heightening the height is proposed.
그러나, 이러한 방법을 사용할 경우, 스트리핑되어 나오는 리튬 이온이 LCO나 NCM과 같은 양극재에 삽입되어 구조 변이, 가역성 저하 등의 문제를 발생시킬 수 있다는 점에서 실제 적용에 어려움이 있다.However, when such a method is used, it is difficult to actually apply lithium ion from striped lithium ion into a cathode material such as LCO or NCM to cause a problem such as structural variation and reversibility.
또한 리튬 금속과 전해액 사이의 부반응을 최소화 하기 위한 음극 보호층이 개발되고 있는데, 이러한 보호층은 리튬 덴드라이트의 성장으로 인해 쉽게 열화되어 그 기능을 상실하는 경우가 많다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 보호층 내에 리튬 금속 표면의 리튬 덴드라이트 성장을 억제하는 기능을 부여하는 것이 필요하다.In addition, a negative electrode protection layer for minimizing a side reaction between a lithium metal and an electrolyte has been developed. Such a protection layer is easily deteriorated due to the growth of the lithium dendrite, and the function is often lost. In order to solve such a problem, it is necessary to impart a function of suppressing the growth of lithium dendrites on the surface of the lithium metal in the protective layer.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 세퍼레이터에 형성된 다공성 코팅층에, 리튬 금속과 반응할 수 있는 첨가제를 도입함으로써, 리튬 덴드라이트 성장을 억제하여, 전지의 수명 및 안전성을 향상시킬 수 있는 세퍼레이터 및 그를 포함하는 리튬 금속 이차전지를 제공하는 것이다.Therefore, a problem to be solved by the present invention is to provide a separator and a separator which can improve the lifetime and safety of the battery by suppressing the growth of lithium dendrites by introducing an additive capable of reacting with lithium metal into the porous coating layer formed on the separator And a lithium metal secondary battery including the same.
본 발명의 일 측면에 따르면, 다공성 고분자 기재; 및 상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 형성되어 있으며, 전지의 작동 전압 범위에서 산화 및 환원 반응이 일어나지 않는 무기물 입자, 바인더 고분자 및 리튬 대비 0 V 내지 5 V에서 환원 반응이 일어나는 첨가제를 포함하는 다공성 코팅층을 구비하며, 상기 첨가제는 상기 다공성 코팅층의 전체 중량 대비 1 내지 10 중량%의 함량으로 포함되는 세퍼레이터가 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a porous polymer substrate comprising: a porous polymer substrate; And a porous coating layer formed on at least one surface of the porous polymer base material, the porous coating layer including inorganic particles, which do not cause an oxidation and reduction reaction in an operating voltage range of the battery, a binder polymer, and an additive in which a reduction reaction occurs at 0 V to 5 V And the additive is contained in an amount of 1 to 10% by weight based on the total weight of the porous coating layer.
여기서, 상기 첨가제는, 무기물 첨가제, 유기물 첨가제 또는 상기 무기물 첨가제와 상기 유기물 첨가제의 혼합물일 수 있다.Here, the additive may be an inorganic additive, an organic additive, or a mixture of the inorganic additive and the organic additive.
이때, 상기 무기물 첨가제는, Al, Si, Zn, Ge 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 금속; 또는 LixMyOz(0≤x≤3.2, 0.8≤y≤3.2, 2.8≤z≤8.2이고, M은 Si, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ge, Mo, Ru 및 Sb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상)인 리튬 금속 산화물일 수 있다.At this time, the inorganic additive may be a metal selected from the group consisting of Al, Si, Zn, Ge, and Sn, or a mixture of two or more thereof; Or Li x M y O z where 0? X? 3.2, 0.8? Y? 3.2, and 2.8? Z ? 8.2 where M is Si, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, And at least one selected from the group consisting of Sb and the like).
그리고, 상기 유기물 첨가제는, 유기황 화합물(Organosulfur compound), 유기 자유 라디칼 화합물(Organic free radical compound) 및 유기 카르보닐 화합물(Organic carbonyl compound)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.The organic additive may be any one selected from the group consisting of an organosulfur compound, an organic free radical compound and an organic carbonyl compound, or a mixture of two or more thereof Lt; / RTI >
한편, 상기 무기물 입자는, 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 무기물 입자일 수 있다.On the other hand, the inorganic particles may be inorganic particles selected from the group consisting of inorganic particles having a dielectric constant of 5 or more, inorganic particles having lithium ion transporting ability, and mixtures thereof.
여기서, 상기 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자는, BaTiO3, Pb(Zrx, Ti1-x)O3(PZT, 여기서, 0<x<1임), Pb1 - xLaxZr1 - yTiyO3(PLZT, 여기서, 0 < x < 1, 0 < y < 1임), (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT, 여기서, 0 < x < 1), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, SiC 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 무기물 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.Herein, the inorganic particles having a dielectric constant of 5 or more are BaTiO 3 , Pb (Zr x , Ti 1 -x ) O 3 (PZT, where 0 <x <1), Pb 1 - x La x Zr 1 - y Ti y O 3 (PLZT, where, 0 <x <1, 0 <y <1 Im), (1-x) Pb (
그리고, 상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는, 리튬 포스페이트(Li3PO4), 리튬 티타늄 포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬 알루미늄 티타늄 포스페이트(LixAlyTiz(PO4)3, 0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), (LiAlTiP)xOy계열 글래스(0<x<4, 0<y<13), 리튬 란탄 티타네이트(LixLayTiO3 , 0<x<2, 0<y<3), 리튬 게르마니움 티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), 리튬 나이트라이드(LixNy, 0<x<4, 0<y<2), SiS2(LixSiySz, 0<x<3, 0<y<2, 0<z<4)계열 글래스 및 P2S5(LixPySz, 0<x<3, 0<y<3, 0<z<7)계열 글래스로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 무기물 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.The inorganic particles having the lithium ion transferring ability include lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium titanium phosphate (Li x Ti y (PO 4 ) 3 , 0 <x <2, 0 <y < (Li x Al y Ti z (PO 4 ) 3 , 0 <x <2, 0 <y <1, 0 <z <3), (LiAlTiP) x O y- 0 <y <13), lithium lanthanum titanate (Li x La y TiO 3 , 0 <x <2, 0 <y <3), lithium germanium thiophosphate (Li x Ge y P z S w , x <4, 0 <y < 1, 0 <z <1, 0 <w <5), lithium nitrides (Li x N y, 0 < x <4, 0 <y <2), SiS 2 (Li x Si y S z, 0 <x <3, 0 <y <2, 0 <z <4) based glass, and P 2 S 5 (Li x P y S z, 0 <x <3, 0 <y <3, 0 < z < 7) series glass, or a mixture of two or more thereof.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 양극, 리튬 금속 활물질층을 포함하는 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 세퍼레이터 및 비수 전해액을 포함하는 리튬 금속 이차전지에 있어서, 상기 세퍼레이터는, 전술한 본 발명의 세퍼레이터인 것을 특징으로 하는 리튬 금속 이차전지가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a lithium metal secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode including a lithium metal active material layer, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a nonaqueous electrolyte, There is provided a lithium metal secondary battery characterized by being a separator of the present invention.
이때, 상기 다공성 코팅층은, 상기 다공성 고분자 기재의 일면에만 형성되며, 상기 다공성 코팅층은, 상기 리튬 금속 활물질층과 대면하는 것일 수 있다.At this time, the porous coating layer may be formed only on one surface of the porous polymer substrate, and the porous coating layer may face the lithium metal active material layer.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 세퍼레이터의 다공성 코팅층에, 리튬 금속과 반응하여 환원될 수 있는 첨가제를 도입함으로써, 리튬 금속 이차전지의 활성화 공정을 용이하게 할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the activation process of the lithium metal secondary battery can be facilitated by introducing an additive capable of reacting with the lithium metal in the porous coating layer of the separator.
그리고, 상기 첨가제는 리튬 덴드라이트의 성장을 화학적으로 억제함으로써 전지의 수명 및 안전성을 향상시킬 수 있다.The additive chemically inhibits the growth of lithium dendrites, thereby improving the lifetime and safety of the battery.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 다공성 코팅층을 포함하는 세퍼레이터가 구비된 리튬 금속 이차전지의 단면의 일부분을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 첨가제를 포함하는 다공성 코팅층을 구비하는 세퍼레이터가 포함된 리튬 금속 이차전지의 단면의 일부분을 개략적으로 나타낸 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate preferred embodiments of the invention and together with the description of the invention serve to further the understanding of the technical idea of the invention, It should not be construed as limited.
1 is a schematic view showing a part of a cross section of a lithium metal secondary battery having a conventional separator including a porous coating layer.
2 is a schematic view showing a part of a cross section of a lithium metal secondary battery including a separator having a porous coating layer containing an additive according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the constitution described in the embodiments described herein is merely the most preferred embodiment of the present invention, and does not represent all the technical ideas of the present invention, so that various equivalents And variations are possible.
본 발명에 따른 세퍼레이터는, 다공성 고분자 기재; 및 상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 형성되어 있으며, 전지의 작동 전압 범위에서 산화 및 환원 반응이 일어나지 않는 무기물 입자, 바인더 고분자 및 리튬 대비 0 V 내지 5 V에서 환원 반응이 일어나는 첨가제를 포함하는 다공성 코팅층을 구비하며, 상기 첨가제는 상기 다공성 코팅층의 전체 중량 대비 1 내지 10 중량%의 함량으로 포함되는 것을 특징으로 한다. 상기 함량 범위를 만족하는 경우, 상기 효과를 극대화할 수 있다. 상기 함량 미만이면, 리튬 금속이 충분히 활성화되지 못하여 바람직하지 않고, 상기 함량을 초과하게 되면, 리튬 금속이 과잉 소모되어 바람직하지 않다.A separator according to the present invention comprises: a porous polymer base; And a porous coating layer formed on at least one surface of the porous polymer base material, the porous coating layer including inorganic particles, which do not cause an oxidation and reduction reaction in an operating voltage range of the battery, a binder polymer, and an additive in which a reduction reaction occurs at 0 V to 5 V And the additive is contained in an amount of 1 to 10% by weight based on the total weight of the porous coating layer. When the content range is satisfied, the above effect can be maximized. If the amount is less than the above range, the lithium metal is not sufficiently activated, which is undesirable. If the content is exceeded, lithium metal is excessively consumed.
도 1은 종래의 다공성 코팅층을 포함하는 세퍼레이터가 구비된 리튬 금속 이차전지의 단면의 일부분을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 첨가제를 포함하는 다공성 코팅층을 구비하는 세퍼레이터가 포함된 리튬 금속 이차전지의 단면의 일부분을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a schematic view showing a part of a cross-section of a lithium metal secondary battery having a separator including a conventional porous coating layer. FIG. 2 is a cross-sectional view of a separator having a porous coating layer containing an additive according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic view showing a part of a cross-section of a lithium metal secondary battery including the lithium secondary battery of FIG.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 다공성 코팅층(2)을 포함하는 세퍼레이터는 음극인 리튬 금속 활물질층(3)에서 성장하는 리튬 덴드라이트(5)를 물리적으로만 억제하는 역할을 하며, 화학반응을 통한 억제가 불가능하기 때문에, 성장된 리튬 덴드라이트(5)가 다공성 코팅층(2) 및 다공성 고분자 기재(1)를 관통하여 셀의 단락이 이루어질 수 있는 문제가 있었다.1 and 2, the conventional separator including the
한편, 본 발명과 같이, Li/Li+ 기준으로 0 V 내지 5 V의 범위에서, 환원 반응, 즉, 리튬 흡장반응이 일어나는 첨가제(21)를, 세퍼레이터의 다공성 코팅층(20)에 구비하게 되면, 추후 리튬 금속 이차전지의 작동시, 음극인 리튬 금속 활물질층(30)과 맞닿는 상기 첨가제(21)는 환원되어 환원된 첨가제(22)가 되면서, 리튬 금속은 리튬 이온으로 산화된다. 즉, 이러한 화학 반응을 통해, 리튬 금속 전극의 활성화 효과를 발휘함과 동시에, 리튬 금속 전극의 보호층으로 작용할 수 있다.On the other hand, when the
나아가, 전기적으로 떨어져 있어 초기 활성화와 충방전 과정 중에 환원되지 않은 첨가제(21)는 이후 사이클 진행 중에, 전기화학적으로 리튬 덴드라이트(50)와 반응하여, 리튬 금속을 산화시키기 때문에, 리튬 덴드라이트(50)의 성장을 억제시키게 되며, 이로써 셀의 수명 성능과 안전성을 확보할 수 있다.Further, the
그리고, 상기 첨가제는, 전해액에 용해되지 않는 것으로서, 리튬 대비 0 V 내지 5 V에서 환원 반응이 일어나는 무기물 첨가제, 유기물 첨가제 또는 상기 무기물 첨가제와 상기 유기물 첨가제의 혼합물일 수 있다.The additive may be an inorganic additive, an organic additive, or a mixture of the inorganic additive and the organic additive, which does not dissolve in the electrolytic solution and undergoes a reduction reaction at 0 V to 5 V relative to lithium.
이때, 상기 무기물 첨가제는, Al, Si, Zn, Ge 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 금속일 수 있는데, 상기 금속들은 리튬 대비 0 V 내지 5 V에서 리튬 흡장반응을 일으킬 수 있는 것을 특징으로 하며, 전해액이 함침된 상태로 리튬 금속과 접촉시 계면의 리튬 금속을 용해할 수 있다.At this time, the inorganic additive may be a metal selected from the group consisting of Al, Si, Zn, Ge, and Sn, or a mixture of two or more thereof. And can dissolve the lithium metal at the interface when the lithium metal is contacted with the electrolyte impregnated.
그리고, 상기 무기물 첨가제로, LixMyOz(0≤x≤3.2, 0.8≤y≤3.2, 2.8≤z≤8.2이고, M은 Si, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ge, Mo, Ru 및 Sb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상)인 리튬 금속 산화물이 사용될 수 있다. 이때, 상기 y와 z는 M의 산화수 및 x에 따라 결정된다. 상기 리튬 금속 산화물들은 리튬 대비 0 V 내지 5 V에서 리튬 흡장반응을 일으킬 수 있는 것을 특징으로 하며, 전해액이 함침된 상태로 리튬 금속과 접촉시 계면의 리튬 금속을 용해할 수 있다.And, as the inorganic additive, Li x M y O z (0≤x≤3.2, 0.8≤y≤3.2, 2.8≤z≤8.2, and, M is Si, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu , Ge, Mo, Ru, and Sb) can be used. Here, y and z are determined according to the oxidation number of M and x. The lithium metal oxides are capable of causing a lithium intercalation reaction at 0 V to 5 V relative to lithium, and can dissolve the lithium metal at the interface when the lithium metal is in contact with the lithium metal in an impregnated state.
한편, 상기 유기물 첨가제는, 유기황 화합물(Organosulfur compound), 유기 자유 라디칼 화합물(Organic free radical compound) 및 유기 카르보닐 화합물(Organic carbonyl compound)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있는데, 상기 유기물 첨가제들은 리튬 대비 0 V 내지 5 V에서 리튬 흡장반응을 일으킬 수 있는 것을 특징으로 하며, 전해액이 함침된 상태로 리튬 금속과 접촉시 계면의 리튬 금속을 용해할 수 있다.The organic additive may be any one selected from the group consisting of an organosulfur compound, an organic free radical compound and an organic carbonyl compound, or a mixture of two or more thereof Wherein the organic additive is capable of causing a lithium intercalation reaction at 0 V to 5 V relative to lithium and can dissolve the lithium metal at the interface when the lithium metal is contacted with the electrolyte impregnated.
이때, 상기 유기황 화합물로는, Dimeric organodisulfide(RSSR + 2e- + 2Li+ → 2LiSR, 리튬 흡장반응 전압: 1.25 V 내지 1.63 V), Organodisulfide polymer(-SRS-n + 2ne- + 2nLi+ →nLiSRSLi, 리튬 흡장반응 전압: 2.3 V 내지 3.0 V), 사이드 체인(Side chain)에 disulfide bond를 가지고 있는 고분자, Polysulfide bond를 가지고 있는 고분자 등이 사용될 수 있다.At this time, the organic sulfur compounds include, Dimeric organodisulfide (RSSR + 2e - + 2Li + → 2LiSR, lithium occluding reaction voltage: 1.25 V to 1.63 V), Organodisulfide polymer (-SRS- n + 2ne - + 2nLi + → nLiSRSLi, Lithium intercalation reaction voltage: 2.3 V to 3.0 V), a polymer having a disulfide bond in a side chain, and a polymer having a polysulfide bond.
그리고, 상기 유기 자유 라디칼 화합물로는, Nitroxide 화합물(RNOR + e- + Li+ →RNOLiR, TEMPO(2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실), PTMA(폴리(2,2,6,6-테트라메틸피페리디닐옥시-4-일-메타크릴레이트)) 등)일 수 있다.Examples of the organic free radical compound include Nitroxide compounds (RNOR + e - + Li + RNOLiR, TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl) 2,6,6-tetramethylpiperidinyloxy-4-yl-methacrylate)))).
또한, 상기 유기 카르보닐 화합물로는, 카르보닐 화합물(RCOR + e- + Li+ →RCOLiR, 퀴논(quinone), 퀴닌(quinine) 등, 리튬 흡장반응 전압: 단량체의 경우, 3.0 V 내지 3.5 V, 고분자의 경우, 2.5 V 내지 2.7 V), 방향족 카르복실산 유도체(Aromatic carboxylic acid derivatives), 복합 카르복실산염(Conjugated carboxylate, 리튬 흡장반응 전압: 0.8 V 내지 1.4 V) 등이 사용될 수 있다.Examples of the organic carbonyl compound include a carbonyl compound (RCOR + e - + Li + - > RCOLiR, quinone, quinine, etc .; a lithium intercalation reaction voltage: 3.0 V to 3.5 V, , 2.5 to 2.7 V in the case of a polymer, aromatic carboxylic acid derivatives, and conjugated carboxylate (lithium insertion reaction voltage: 0.8 V to 1.4 V).
일 예로, 상기 첨가제로서 Si를 사용하는 경우, 리튬 금속 전극의 표면에서는 다음과 같은 반응이 일어나며, 리튬 금속 전극의 표면을 활성화한다.For example, when Si is used as the additive, the following reaction takes place on the surface of the lithium metal electrode to activate the surface of the lithium metal electrode.
Si + 4.4 Li → Li4.4SiSi + 4.4 Li - > Li 4.4 Si
이러한 반응을 통해 리튬 금속 전극의 보호층을 코팅하거나, 활성화 공정과 같은 추가적인 공정을 수행하지 않고도, 리튬 금속 전극의 표면을 활성화할 수 있다.Through this reaction, the surface of the lithium metal electrode can be activated without coating the protective layer of the lithium metal electrode or performing an additional process such as the activation process.
한편, 상기 무기물 입자들의 평균 입경은, 특별히 제한이 없으나 균일한 두께의 다공성 코팅층 형성 및 적절한 공극률을 위하여, 0.001 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있으나 이에만 한정하는 것은 아니다.On the other hand, the average particle size of the inorganic particles is not particularly limited, but may be, but is not limited to, 0.001 μm to 10 μm in order to form a porous coating layer having a uniform thickness and a proper porosity.
그리고, 본 발명에서 사용될 수 있는 무기물 입자는, 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0 내지 5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 무기물 입자로서 유전율이 높은 무기물 입자를 사용하는 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.The inorganic particles usable in the present invention are not particularly limited as long as they are electrochemically stable. That is, the inorganic particles usable in the present invention are not particularly limited as long as the oxidation and / or reduction reaction does not occur in the operating voltage range of the applied battery (for example, 0 to 5 V based on Li / Li + ). Particularly, when inorganic particles having a high dielectric constant are used as the inorganic particles, the dissociation of the electrolyte salt, for example, the lithium salt in the liquid electrolyte, can be increased, and the ion conductivity of the electrolyte can be improved.
전술한 이유들로 인해, 상기 무기물 입자는 유전율 상수가 5 이상, 또는 10 이상인 고유전율 무기물 입자를 포함할 수 있다. 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자의 비제한적인 예로는 BaTiO3, Pb(Zrx, Ti1-x)O3(PZT, 여기서, 0<x<1임), Pb1 - xLaxZr1 -yTiyO3(PLZT, 여기서, 0<x<1, 0<y<1임), (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT, 여기서, 0<x<1임), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, SiC 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 무기물 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.For the reasons stated above, the inorganic particles may include high-permittivity inorganic particles having a dielectric constant of 5 or more, or 10 or more. Non-limiting examples of inorganic particles having a dielectric constant of 5 or more include BaTiO 3 , Pb (Zr x , Ti 1-x ) O 3 (PZT, where 0 <x <1), Pb 1 - x La x Zr 1 - y Ti y O 3 (PLZT, where, 0 <x <1, 0 <y <1 Im), (1-x) Pb (
또한, 무기물 입자로는 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자, 즉 리튬 원소를 함유하되 리튬을 저장하지 아니하고 리튬 이온을 이동시키는 기능을 갖는 무기물 입자를 사용할 수 있다. 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자의 비제한적인 예로는 리튬 포스페이트(Li3PO4), 리튬 티타늄 포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), 리튬 알루미늄 티타늄 포스페이트(LixAlyTiz(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 1, 0 < z < 3), 14Li2O-9Al2O3-38TiO2-39P2O5 등과 같은 (LiAlTiP)xOy 계열 글래스(0 < x < 4, 0 < y < 13), 리튬 란탄 티타네이트(LixLayTiO3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), Li3.25Ge0.25P0.75S4 등과 같은 리튬 게르마니움 티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0 < x < 4, 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 < w < 5), Li3N 등과 같은 리튬 나이트라이드(LixNy, 0 < x < 4, 0 < y < 2), Li3PO4-Li2S-SiS2 등과 같은 SiS2 계열 글래스(LixSiySz, 0 < x < 3, 0 < y < 2, 0 < z < 4), LiI-Li2S-P2S5 등과 같은 P2S5 계열 글래스(LixPySz, 0 < x < 3, 0 < y < 3, 0 < z < 7) 또는 이들의 혼합물 등이 있다.As the inorganic particles, inorganic particles having a lithium ion transferring ability, that is, inorganic particles containing a lithium element but having a function of transferring lithium ions without storing lithium can be used. Non-limiting examples of inorganic particles having lithium ion transferring ability include lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium titanium phosphate (Li x Ti y (PO 4 ) 3 , 0 <x <2, 0 <y < (Li x Al y Ti z (PO 4 ) 3 , 0 <x <2, 0 <y <1, 0 <z <3), 14Li 2 O-9Al 2 O 3 -38TiO 2 -39P 2 O 5 (0 <x <4, 0 <y <13), lithium lanthanum titanate (Li x La y TiO 3 , 0 <x <2, 0 <y <3), Li (LiAlTiP) x O y series glass (Li x Ge y P z S w , 0 <x <4, 0 <y <1, 0 <z <1, 0 <w <5) such as 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , (Li x N y , 0 <x <4, 0 <y <2) such as Li 3 N and Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 SiS 2 based glass, such as (Li x Si y S z, 0 <x <3, 0 <y <2, 0 <z <4), LiI-
그리고, 상기 바인더 고분자는, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoro propylene), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스(cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스(cyanoethylsucrose), 풀루란(pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose), 아크리로니트릴스티렌부타디엔 공중합체(acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer) 및 폴리이미드(polyimide)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있으나, 이에만 한정하는 것은 아니다.The binder polymer may be at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride-co-hexafluoro propylene, polyvinylidene fluoride-co-trichlorethylene, But are not limited to, polymethyl methacrylate, polyacrylonitrile, polyvinylpyrrolidone, polyvinylacetate, polyethylene-co-vinyl acetate, polyethylene oxide oxide, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate, cyanoethylpullulan, cyanoethylpolyvinylalcohol, Cyanoethylcellulose, cyanoethylcellulose, One selected from the group consisting of cyanoethylsucrose, pullulan, carboxyl methyl cellulose, acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer and polyimide; And mixtures of two or more thereof. However, the present invention is not limited thereto.
그리고, 상기 바인더 고분자의 함량은, 상기 무기물 입자 100 중량부를 기준으로 1 내지 30 중량부, 또는 1 내지 15 중량부일 수 있다. 상기 바인더 고분자의 함량이 상기 범위를 만족하게 되면, 무기물 입자의 탈리를 적절히 방지함과 동시에, 세퍼레이터 내부저항의 증가를 방지하며, 다공성 코팅층의 적절한 다공도를 유지시키게 된다.The content of the binder polymer may be 1 to 30 parts by weight, or 1 to 15 parts by weight, based on 100 parts by weight of the inorganic particles. When the content of the binder polymer satisfies the above range, it is possible to appropriately prevent the inorganic particles from desorbing, prevent an increase in the internal resistance of the separator, and maintain a proper porosity of the porous coating layer.
다공성 코팅층에 있어서 바인더 고분자는, 상기 무기물 입자들 표면의 일부 또는 전체에 코팅되며, 상기 무기물 입자들은 밀착된 상태로 상기 바인더 고분자에 의해 서로 연결 및 고정되며, 상기 무기물 입자들 사이에 인터스티셜 볼륨(Interstitial Volume)이 형성되고, 상기 무기물 입자들 사이의 인터스티셜 볼륨은 빈 공간이 되어 기공을 형성한다.In the porous coating layer, the binder polymer is coated on a part or the whole of the surface of the inorganic particles, and the inorganic particles are connected and fixed to each other by the binder polymer in an adhered state, and an interstitial volume (Interstitial volume) is formed, and the interstitial volume between the inorganic particles becomes empty space to form pores.
상기 다공성 코팅층의 두께는 특별한 제한이 없으나, 전지의 내부저항 증가 방지 및 안전성의 확보를 위해 0.01 ㎛ 내지 50 ㎛, 또는 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다.The thickness of the porous coating layer is not particularly limited, but may be 0.01 탆 to 50 탆, or 0.5 탆 to 10 탆 in order to prevent internal resistance increase and ensure safety of the battery.
한편, 상기 다공성 고분자 기재는, 통상적으로 전지에 사용되는 다공성 고분자 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.On the other hand, the porous polymer substrate may be any porous polymer substrate commonly used in a battery. For example, a polyolefin porous membrane or a nonwoven fabric may be used. However, the porous polymer substrate is not particularly limited thereto.
상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.Examples of the polyolefin-based porous film include polyolefin-based polymers such as polyethylene, polypropylene, polybutylene, and polypentene, such as high-density polyethylene, linear low density polyethylene, low density polyethylene and ultra high molecular weight polyethylene, One membrane can be mentioned.
상기 부직포로는 폴리올레핀계 부직포 외에 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포를 들 수 있다. 부직포의 구조는 장섬유로 구성된 스폰본드 부직포 또는 멜트 블로운 부직포일 수 있다.The nonwoven fabric may include, in addition to the polyolefin nonwoven fabric, for example, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, polycarbonate ), Polyimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylenesulfide, polyethylene naphthalate, and the like are used alone Or a nonwoven fabric formed of a polymer mixed with these. The structure of the nonwoven fabric may be a spun bond nonwoven fabric or a meltblown nonwoven fabric composed of long fibers.
상기 다공성 고분자 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 1㎛ 내지 100㎛, 또는 5㎛ 내지 50㎛이다.The thickness of the porous polymer base material is not particularly limited, but is 1 탆 to 100 탆, or 5 탆 to 50 탆.
다공성 고분자 기재에 존재하는 기공의 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.001㎛ 내지 50㎛ 및 10% 내지 95%일 수 있다.The size and porosity of the pores existing in the porous polymer substrate are also not particularly limited, but may be 0.001 탆 to 50 탆 and 10% to 95%, respectively.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 리튬 금속 이차전지는, 양극, 리튬 금속 활물질층을 포함하는 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 세퍼레이터 및 비수 전해액을 포함하며, 상기 세퍼레이터는 전술한 본 발명에 따른 세퍼레이터인 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a lithium metal secondary battery including a cathode, a cathode including a lithium metal active material layer, a separator interposed between the anode and the cathode, and a non-aqueous electrolyte, Is a separator according to the present invention.
여기서, 상기 다공성 코팅층은, 상기 다공성 고분자 기재의 일면에만 형성되며, 상기 다공성 코팅층은, 상기 리튬 금속 활물질층과 대면하게 됨으로써, 상기 다공성 코팅층에 도입된 첨가제가 전술한 제 역할을 담당하게 된다.Here, the porous coating layer is formed only on one surface of the porous polymer substrate, and the porous coating layer faces the lithium metal active material layer, so that the additive introduced into the porous coating layer plays the role of the above-mentioned.
한편, 상기 양극은, 양극 집전체와 그의 일면 또는 양면에 도포된 양극 활물질층으로 구성될 수 있다. 여기서 양극 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있고, 상기 양극 활물질층에 포함된 양극 활물질은, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi 1-x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1임)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.On the other hand, the positive electrode may be composed of a positive electrode collector and a positive electrode active material layer coated on one side or both sides thereof. The positive electrode active material layer may be formed of a material selected from the group consisting of LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoPO 4 , LiFePO 4, LiNiMnCoO 2, and LiNi 1-xyz Co x M1 y M2 z O 2 (M1 and M2 are independently selected from Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg and Mo each other X, y and z are independently selected from the group consisting of 0? X <0.5, 0? Y <0.5, 0? Z <0.5, x + y + z? , Or a mixture of two or more thereof.
그리고, 상기 양극 활물질층은, 전기 전도성을 향상시키기 위해 도전재를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 도전재는, 리튬 이차전지에서 화학변화를 일으키지 않는 전자 전도성 물질이면 특별한 제한이 없다. 일반적으로 카본블랙(carbon black), 흑연, 탄소섬유, 카본 나노튜브, 금속분말, 도전성 금속산화물, 유기 도전재 등을 사용할 수 있고, 현재 도전재로 시판되고 있는 상품으로는 아세틸렌 블랙계열 (쉐브론 케미컬 컴퍼니(Chevron Chemical Company) 또는 걸프 오일 컴퍼니 (Gulf Oil Company) 제품 등), 케트젠블랙 (Ketjen Black) EC 계열(아르막 컴퍼니 (Armak Company) 제품), 불칸 (Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼 P (엠엠엠(MMM)사 제품)등이 있다. 예를 들면 아세틸렌블랙, 카본블랙, 흑연 등을 들 수 있다.The cathode active material layer may further include a conductive material to improve electrical conductivity. At this time, the conductive material is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not cause a chemical change in the lithium secondary battery. In general, carbon black, graphite, carbon fiber, carbon nanotube, metal powder, conductive metal oxide, organic conductive material and the like can be used. Commercially available products as the conductive material include acetylene black series (manufactured by Chevron Chemical Co., (Chevron Chemical Company or Gulf Oil Company products), Ketjen Black EC series (Armak Company), Vulcan XC-72 (Cabot Company) and Super P (MM (MMM)). For example, acetylene black, carbon black and graphite.
그리고, 양극 활물질을 양극 집전체에 유지시키고, 또 활물질들 사이를 이어주는 기능을 갖는 바인더로서 예를 들면, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌 (PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴 풀루오라이드 (polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리메틸 메타크릴레이트 (polymethyl methacrylate), 스티렌-부타디엔 고무 (SBR, styrene butadiene rubber), 카르복실 메틸 셀룰로오스 (CMC, carboxyl methyl cellulose) 등의 다양한 종류의 바인더가 사용될 수 있다.As a binder having a function of holding the positive electrode active material on the positive electrode collector and connecting the active materials therebetween, for example, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-co-HFP), polyvinylidene Polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, styrene butadiene rubber (SBR), carboxyl methyl cellulose (CMC) ) May be used.
그리고, 상기 음극은, 음극 집전체 상에, 리튬 금속 활물질층이 형성된 것으로, 상기 음극 집전체로는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.The negative electrode has a lithium metal active material layer formed on the negative electrode collector. The negative electrode collector is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing chemical change in the battery. For example, Nickel, titanium, silver or the like on the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, copper or stainless steel and aluminum-cadmium alloy.
한편, 본 발명에서 사용될 수 있는 비수 전해액에 포함되는 전해질 염은 리튬염이다. 상기 리튬염은 리튬 이차전지용 전해질에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 리튬염의 음이온으로는 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-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.Meanwhile, the electrolyte salt included in the nonaqueous electrolyte solution which can be used in the present invention is a lithium salt. The lithium salt can be used without limitation as those conventionally used in an electrolyte for a lithium secondary battery. For example is the above lithium salt anion F -, Cl -, Br - , 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 -,
전술한 비수 전해액에 포함되는 유기용매로는 리튬 이차전지용 전해질에 통상적으로 사용되는 것들을 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들면 에테르, 에스테르, 아미드, 선형 카보네이트, 환형 카보네이트 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.Examples of the organic solvent included in the non-aqueous electrolyte include those commonly used in an electrolyte for a lithium secondary battery, such as an ether, an ester, an amide, a linear carbonate, a cyclic carbonate, etc., Can be mixed and used.
그 중에서 대표적으로는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 또는 이들의 혼합물인 카보네이트 화합물을 포함할 수 있다.Among them, a carbonate compound which is typically a cyclic carbonate, a linear carbonate, or a mixture thereof may be included.
상기 환형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 및 이들의 할로겐화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 있다. 이들의 할로겐화물로는 예를 들면, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.Specific examples of the cyclic carbonate compound include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, Propylene carbonate, 2,3-pentylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, and halides thereof, or a mixture of two or more thereof. Examples of such halides include, but are not limited to, fluoroethylene carbonate (FEC) and the like.
또한 상기 선형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Specific examples of the linear carbonate compound include any one selected from the group consisting of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate and ethyl propyl carbonate And mixtures of two or more of them may be used as typical examples, but the present invention is not limited thereto.
특히, 상기 카보네이트계 유기용매 중 환형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 보다 더 잘 해리시킬 수 있으며, 이러한 환형 카보네이트에 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 보다 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있다.In particular, ethylene carbonate and propylene carbonate, which are cyclic carbonates in the carbonate-based organic solvent, are high-viscosity organic solvents having a high dielectric constant and can dissociate the lithium salt in the electrolyte more easily. In addition, such cyclic carbonates can be used as dimethyl carbonate and diethyl carbonate When a low viscosity, low dielectric constant linear carbonate is mixed in an appropriate ratio, an electrolyte having a higher electric conductivity can be produced.
또한, 상기 유기 용매 중 에테르로는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르 및 에틸프로필 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.As the ether in the organic solvent, any one selected from the group consisting of dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methyl ethyl ether, methyl propyl ether and ethyl propyl ether or a mixture of two or more thereof may be used , But is not limited thereto.
그리고 상기 유기 용매 중 에스테르로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the ester in the organic solvent include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate,? -Butyrolactone,? -Valerolactone,? -Caprolactone,? -Valerolactone and? -Caprolactone, or a mixture of two or more thereof, but the present invention is not limited thereto.
상기 비수 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 리튬 금속 이차전지의 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 리튬 금속 이차전지 조립 전 또는 리튬 이차전지 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.The injection of the non-aqueous electrolyte may be performed at an appropriate stage of the manufacturing process of the lithium metal secondary battery, depending on the manufacturing process and required properties of the final product. That is, it can be applied before assembling a lithium metal secondary battery or in a final stage of assembling a lithium secondary battery.
본 발명에 따른 리튬 금속 이차전지는, 권취(winding), 세퍼레이터와 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 공정이 가능하다. 그리고, 전지케이스는 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.The lithium metal secondary battery according to the present invention is capable of winding, laminating, stacking and folding electrodes. The battery case may be cylindrical, square, pouch type, coin type, or the like.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the embodiments according to the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention.
1. 세퍼레이터의 제조1. Manufacture of separator
하기 표 1에 기재된 조성에 따라 다공성 코팅층 제조용 슬러리를 제조하였다. 그 후, 폴리에틸렌 다공성 고분자 기재의 일면에 상기 슬러리를 5 ㎛ 두께로 도포한 다음, 80 ℃의 온도에서 건조하여, 다공성 코팅층이 일면에 형성된 세퍼레이터를 제조하였다.A slurry for preparing a porous coating layer was prepared according to the composition shown in Table 1 below. Thereafter, the slurry was applied to one surface of a polyethylene porous polymer substrate to a thickness of 5 탆, and then dried at a temperature of 80 캜 to prepare a separator having a porous coating layer formed on one surface thereof.
종류Additive
Kinds
중량%Additive
weight%
2. 리튬 금속 이차전지의 제조 및 성능 평가2. Manufacturing and Performance Evaluation of Lithium Metal Secondary Battery
(1) 리튬 금속 이차전지의 제조(1) Production of Lithium Metal Secondary Battery
양극 활물질로 LiCoO2 96 중량%, 도전재로 카본 블랙 2 중량% 및 바인더로 PVDF 2 중량%를 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 첨가하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 알루미늄 집전체의 일면에 상기 제조한 양극 활물질 슬러리를 65 ㎛ 두께로 코팅하고, 이를 건조 및 압연한 후 일정 크기로 펀칭하여 양극을 제조하였다.A cathode active material slurry was prepared by adding 96 wt% of
구리 집전체의 일면에 리튬 금속층을 도포한 후 압연하여, 리튬 금속 음극을 제조하였다.A lithium metal layer was coated on one surface of the copper collector and then rolled to prepare a lithium metal negative electrode.
상기와 같이 제조된 양극과 음극 사이에, 표 1에 기재된 실시예들 및 비교예들의 세퍼레이터들을 각각 개재시킨 후, 이를 파우치형 전지 케이스에 삽입시킨 다음, 에틸렌 카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(EMC)를 50:50의 부피비로 혼합한 용매에 1M LiPF6가 용해된 전해액을 상기 전지 케이스 내에 주입하여 리튬 금속 이차전지들을 제조하였다. 이때, 세퍼레이터의 일면에 형성된 다공성 코팅층은 음극의 리튬 금속층과 대면하도록 하였다.Each of the separators of Examples and Comparative Examples described in Table 1 was sandwiched between the positive electrode and the negative electrode prepared as described above and inserted into a pouch-shaped battery case. Then, ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate ) Were mixed in a volume ratio of 50:50, and 1 M LiPF6 dissolved in an electrolyte was injected into the battery case to produce lithium metal secondary batteries. At this time, the porous coating layer formed on one surface of the separator faces the lithium metal layer of the negative electrode.
(2) 리튬 금속 이차전지의 성능 평가(2) Performance evaluation of lithium metal secondary battery
상기와 같이 제조된 리튬 금속 이차전지들을 상온에서 2일간 방치하여, 전해액에 충분히 함침되도록 한 다음, 4.25 V까지 0.1 C로 10시간 충전한 후 상온에서 2일간 방치하여 에이징하였다.The lithium metal secondary batteries thus prepared were allowed to stand at room temperature for 2 days, sufficiently impregnated with the electrolytic solution, charged to 4.25 V at 0.1 C for 10 hours, left at room temperature for 2 days, and aged.
그 후, 3 V ~ 4.25 V 구간에서 0.1 C로 충방전을 실시하여, 초기 방전용량을 측정한 결과와, 이후, 0.3 C 충전, 0.5 C 방전을 100회 실시한 후, 1회 방전 용량 대비 100회의 방전 용량 유지율을 계산한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.Thereafter, charging and discharging were performed at 0.1 C in the range of 3 V to 4.25 V, and the initial discharging capacity was measured. Thereafter, the discharging capacity was measured 100 times after 0.3 C charging and 0.5 C discharging. The results of calculating the discharge capacity retention rate are shown in Table 2 below.
종류Additive
Kinds
중량%Additive
weight%
상기 표 2에서 볼 수 있다시피, 본 발명의 첨가제를 적정량 사용한 실시예 1-2, 2-2, 3-2의 리튬 금속 이차전지의 경우, 세퍼레이터에 형성된 다공성 코팅층이 리튬 금속층의 표면을 활성화시켜 수명 특성이 현저히 향상되었음을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 전기화학적으로 안정한 첨가제를 사용한 비교예 5-2 및 6-2와 비교해보면 현저하게 드러난다는 점을 알 수 있다.As can be seen from the above Table 2, in the case of the lithium metal secondary batteries of Examples 1-2, 2-2 and 3-2 using the additive of the present invention in an appropriate amount, the porous coating layer formed on the separator activates the surface of the lithium metal layer It can be confirmed that the life characteristic is remarkably improved. These results are remarkable in comparison with Comparative Examples 5-2 and 6-2 using an electrochemically stable additive.
한편, 첨가제의 함량 범위를 초과하여 사용한 비교예 1-2 및 3-2의 경우, 첨가제가 과량의 리튬을 흡장하여 수명 성능이 오히려 줄어들었음을 확인할 수 있고, 첨가제의 함량 범위에 미달하는 비교예 2-2의 경우, 첨가제가 리튬 금속층의 표면을 충분히 활성화시키지 못하여, 수명 성능의 향상이 이루어지지 않았음을 확인할 수 있다.On the other hand, in the case of Comparative Examples 1-2 and 3-2 in which the content of the additive exceeded the range of the additive, it was confirmed that the additive occluded excess lithium and the lifetime performance was rather reduced. In the case of 2-2, it can be confirmed that the additive does not sufficiently activate the surface of the lithium metal layer, so that the lifetime performance is not improved.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
1, 10: 다공성 고분자 기재
2, 20: 다공성 코팅층
3, 30: 리튬 금속 활물질층
4, 40: 음극 집전체
5, 50: 리튬 덴드라이트
21: 첨가제
22: 환원된 첨가제1, 10: Porous polymer substrate
2, 20: Porous coating layer
3, 30: Lithium metal active material layer
4, 40: cathode collector
5, 50: lithium dendrite
21: Additive
22: Reduced additives
Claims (9)
상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 형성되어 있으며, 전지의 작동 전압 범위에서 산화 및 환원 반응이 일어나지 않는 무기물 입자, 바인더 고분자 및 리튬 대비 0 V 내지 5 V에서 환원 반응이 일어나는 첨가제를 포함하는 다공성 코팅층을 구비하며,
상기 첨가제는 상기 다공성 코팅층의 전체 중량 대비 1 내지 10 중량%의 함량으로 포함되는 세퍼레이터.Porous polymeric substrates; And
A porous polymer layer formed on at least one side of the porous polymer base material and containing an inorganic particle which does not cause an oxidation and reduction reaction in an operating voltage range of the battery, a binder polymer, and an additive that causes a reduction reaction at 0 V to 5 V relative to lithium Respectively,
Wherein the additive is contained in an amount of 1 to 10% by weight based on the total weight of the porous coating layer.
상기 첨가제는, 무기물 첨가제, 유기물 첨가제 또는 상기 무기물 첨가제와 상기 유기물 첨가제의 혼합물인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.The method according to claim 1,
Wherein the additive is an inorganic additive, an organic additive, or a mixture of the inorganic additive and the organic additive.
상기 무기물 첨가제는, Al, Si, Zn, Ge 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 금속; 또는 LixMyOz(0≤x≤3.2, 0.8≤y≤3.2, 2.8≤z≤8.2이고, M은 Si, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ge, Mo, Ru 및 Sb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상)인 리튬 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.3. The method of claim 2,
Wherein the inorganic additive is a metal selected from the group consisting of Al, Si, Zn, Ge, and Sn, or a mixture of two or more thereof; Or Li x M y O z where 0? X? 3.2, 0.8? Y? 3.2, and 2.8? Z ? 8.2 where M is Si, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, And at least one element selected from the group consisting of Sb and the like).
상기 유기물 첨가제는, 유기황 화합물(Organosulfur compound), 유기 자유 라디칼 화합물(Organic free radical compound) 및 유기 카르보닐 화합물(Organic carbonyl compound)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.3. The method of claim 2,
The organic additive may be any one selected from the group consisting of an organosulfur compound, an organic free radical compound and an organic carbonyl compound, or a mixture of two or more thereof Features a separator.
상기 무기물 입자는, 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 무기물 입자인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.The method according to claim 1,
Wherein the inorganic particles are inorganic particles selected from the group consisting of inorganic particles having a dielectric constant of 5 or more, inorganic particles having a lithium ion transporting ability, and mixtures thereof.
상기 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자는, BaTiO3, Pb(Zrx, Ti1-x)O3(PZT, 여기서, 0<x<1임), Pb1 - xLaxZr1 - yTiyO3(PLZT, 여기서, 0 < x < 1, 0 < y < 1임), (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT, 여기서, 0 < x < 1), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, SiC 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 무기물 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.6. The method of claim 5,
Inorganic particles is greater than or equal to the dielectric constant of 5, BaTiO 3, Pb (Zr x , Ti 1-x) O 3 (PZT, where, 0 <x <1 Im), Pb 1 - x La x Zr 1 - y Ti y O 3 (PLZT, where, 0 <x <1, 0 <y <1 Im), (1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3 -xPbTiO 3 (PMN-PT, where 0 (x <1), hafnia (HfO 2 ), SrTiO 3 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO 2 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , SiC and TiO 2 , Or a mixture of two or more thereof.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는, 리튬 포스페이트(Li3PO4), 리튬 티타늄 포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬 알루미늄 티타늄 포스페이트(LixAlyTiz(PO4)3, 0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), (LiAlTiP)xOy계열 글래스(0<x<4, 0<y<13), 리튬 란탄 티타네이트(LixLayTiO3 , 0<x<2, 0<y<3), 리튬 게르마니움 티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), 리튬 나이트라이드(LixNy, 0<x<4, 0<y<2), SiS2(LixSiySz, 0<x<3, 0<y<2, 0<z<4)계열 글래스 및 P2S5(LixPySz, 0<x<3, 0<y<3, 0<z<7)계열 글래스로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 무기물 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.6. The method of claim 5,
Wherein the inorganic particles having lithium ion transferring ability are selected from the group consisting of lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium titanium phosphate (Li x Ti y (PO 4 ) 3 , 0 <x <2, 0 <y < phosphate (Li x Al y Ti z ( PO 4) 3, 0 <x <2, 0 <y <1, 0 <z <3), (LiAlTiP) x O y series glass (0 <x <4, 0 < y <13), lithium lanthanum titanate (Li x La y TiO 3 , 0 <x <2, 0 <y <3), lithium germanium thiophosphate (Li x Ge y P z S w , 4, 0 <y <1, 0 <z <1, 0 <w <5), lithium nitrides (Li x N y, 0 < x <4, 0 <y <2), SiS 2 (Li x Si y S z, 0 <x <3 , 0 <y <2, 0 <z <4) based glass, and P 2 S 5 (Li x P y S z, 0 <x <3, 0 <y <3, 0 < z <7) series glass, or a mixture of two or more thereof.
상기 세퍼레이터는, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 세퍼레이터인 것을 특징으로 하는 리튬 금속 이차전지.A lithium metal secondary battery comprising a negative electrode including a positive electrode and a lithium metal active material layer, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a nonaqueous electrolyte,
The lithium metal secondary battery according to any one of claims 1 to 7, wherein the separator is a separator.
상기 다공성 코팅층은, 상기 다공성 고분자 기재의 일면에만 형성되며,
상기 다공성 코팅층은, 상기 리튬 금속 활물질층과 대면하는 것을 특징으로 하는 리튬 금속 이차전지.9. The method of claim 8,
Wherein the porous coating layer is formed only on one surface of the porous polymer substrate,
Wherein the porous coating layer faces the lithium metal active material layer.
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