KR20040084114A - Method of Fabricating Electrode of Lithium Secondary Battery and Lithium Secondary Battery with the Electrode - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Provided is a lithium secondary battery using an electrode comprising a multi-walled carbon nanotube which has high specific capacity and improved energy characteristic by the reversible adsorption and desorption of lithium ion. A method for manufacturing the electrode is also provided. CONSTITUTION: The method for manufacturing an electrode of a lithium secondary battery comprises the first step of mixing a multi-walled carbon nanotube material with a binder and a dispersion medium to prepare an electrode mix; and the second step of applying the electrode mix onto a collector and drying. Further, the lithium secondary battery includes an anode composed of the above obtained electrode; a cathode comprising a transition metal compound material; a multiporous separator which is lithium ion-conductible and electron-nonconductible; and a lithium salt conduction medium.

Description

리튬이차전지의 전극제조방법 및 이를 이용한 리튬이차전지 {Method of Fabricating Electrode of Lithium Secondary Battery and Lithium Secondary Battery with the Electrode}Electrode manufacturing method of lithium secondary battery and lithium secondary battery using same {Method of Fabricating Electrode of Lithium Secondary Battery and Lithium Secondary Battery with the Electrode}

본 발명은 리튬이차전지에 관한 것으로, 특히, 다층탄소나노튜브를 전극 활물질로 이용한 고용량 특성을 나타내는 리튬이차전지(Lithium Secondary Battery)의 전극제조방법 및 이를 이용한 리튬이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery, and more particularly, to an electrode manufacturing method of a lithium secondary battery (Lithium Secondary Battery) exhibiting high capacity characteristics using a multi-layered carbon nanotubes as an electrode active material and a lithium secondary battery using the same.

전자 기술의 발전에 따른 휴대 기기의 경량·소형화에 따라 기기의 중량 중 전지의 비율이 상대적으로 증가하는 추세로서 휴대전화의 경우 1988년에 총 중량이 약 800g이었으나, 1999년에는 약 70g 수준으로 감소하였다. 휴대전화는 2002년 현재 약 70~80g 수준이며, 1999년에 비하여 전자메일, 웹 서핑, MP3 플레이어 등의 다양한 기능이 추가되어 휴대개인정보단말기에 근접하는 기능을 갖추는 정도로 발전하였다. 개인정보통신단말기인 PDA의 경우 초기 도입단계를 거쳐 2002년 현재 보급이 급속히 확장되고 있다. PDA의 성능은 PDA 기본의 개인정보통신단말기로서의 기능과 함께 네비게이션을 포함하는 비디오 기능이 통합된 형태의 PDAV(personal digital assistant with video)기능까지 갖춘 수준으로 기술적인 진보가 있었다.As the weight and size of portable devices have increased due to the development of electronic technology, the proportion of batteries in the weight of devices has been relatively increased.In the case of mobile phones, the total weight was about 800g in 1988, but decreased to about 70g in 1999. It was. The mobile phone is about 70 ~ 80g as of 2002. Compared to 1999, various functions such as e-mail, web surfing, and MP3 player have been added. In the case of PDA, a personal information communication terminal, it is rapidly expanding in 2002 after the initial introduction stage. The performance of the PDA has been technologically advanced to the point of having a personal digital assistant with video (PDAV) function that integrates a video function including navigation with a function as a basic personal information communication terminal.

따라서, 이들 고성능 휴대 전자기기의 에너지원도 보다 소형· 경량· 고에너지의 특성을 갖는 고성능 이차전지가 필요하다. 리튬이차전지는 3~4V의 높은 전지 전압을 나타내며, 비에너지는 1992년 89Wh/kg에서 2002년 현재 189Wh/kg으로 향상되어 8년 동안 100%의 비약적인 성능 향상이 진행되었다 (대한민국특허, 출원번호 10-2002-0030748). 2002년 현재 리튬이차전지는 비에너지 189Wh/kg과 함께 에너지밀도 494Wh/L을 달성하였다.Therefore, there is a need for a high-performance secondary battery having the characteristics of smaller, lighter, and higher energy than the energy source of these high performance portable electronic devices. Lithium secondary battery shows high battery voltage of 3 ~ 4V, and specific energy has improved from 89Wh / kg in 1992 to 189Wh / kg as of 2002, resulting in 100% performance improvement for 8 years. 10-2002-0030748). As of 2002, the lithium secondary battery achieved an energy density of 494 Wh / L with a specific energy of 189 Wh / kg.

이러한 발전은 양극 및 음극의 전극 재료와 전지 제조기술이 꾸준히 발전한 결과이다. 음극의 경우 1992년의 초창기에는 피치계 탄소재료를 사용하여 비용량이 200mAh/g 이하였다. 현재는 고용량의 흑연계 탄소재료를 사용함으로서 흑연재료 기준으로 330mAh/g 내외의 비용량을 사용하고 있다.This development is the result of the steady development of electrode materials and battery manufacturing technology of the positive and negative electrodes. In the early days of 1992, the cathode had a specific capacity of 200 mAh / g or less using a pitch-based carbon material. At present, a high capacity graphite-based carbon material is used to use a specific amount of about 330mAh / g based on the graphite material.

일반적으로, 리튬이차전지는 LiCoO2, LiMn2O4, LiCoxNi1-xO2(0≤x≤1), V2O5또는 LiFePO4등 이들의 조성변화물을 포함하는 전이금속화합물 양극(또는 정극), 리튬염 함유 유기 전해액 및 탄소 음극(또는 부극)으로 구성한다. 리튬이차전지용 음극은 연구개발의 초창기에는 리튬금속 및 리튬-알루미늄(Li-Al) 합금에 대하여 진행되었다. 그러나, 연구 진행에 따라 수명 및 안전성 문제로 인하여 탄소계 음극개발이 진행되었다. 탄소계 음극의 개발로 리튬이차전지의 상용화를 실현하였다. 192년의 상용화 초기에는 코크스 탄소재료를 사용하여 비용량이 200mAh/g 이하였다. 현재는 330mAh/g 내외의 비용량을 나타내는 고용량의 흑연계 탄소재료를 사용하며, 용량밀도로 보면 흑연재료와 피치계 탄소재료는 각각 726mAh/cm3과 380mAh/cm3에 해당한다.In general, a lithium secondary battery is a transition metal compound including a composition change thereof, such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCo x Ni 1-x O 2 (0 ≦ x ≦ 1), V 2 O 5, or LiFePO 4 . It consists of a positive electrode (or positive electrode), a lithium salt containing organic electrolyte solution, and a carbon negative electrode (or negative electrode). In the early stages of research and development, negative electrodes for lithium secondary batteries were carried out on lithium metal and lithium-aluminum (Li-Al) alloys. However, as the research progressed, carbon-based negative electrode development proceeded due to life and safety issues. The development of a carbon-based negative electrode realized the commercialization of lithium secondary batteries. At the beginning of commercialization in 192, coke carbon material was used and the specific capacity was less than 200mAh / g. Currently, high-capacity graphite-based carbon materials having specific capacities of about 330mAh / g are used. In terms of capacity density, graphite materials and pitch-based carbon materials correspond to 726mAh / cm 3 and 380mAh / cm 3 , respectively.

즉, 종래 음극재료의 경우 피치계 및 흑연계 탄소재료의 비용량은 각각 200mAh/g 및 330mAh/g이고, 단위체적당의 용량을 나타내는 용량밀도로 보면 코크스 탄소 재료와 흑연 재료는 각각 380mAh/cm3와 726mAh/cm3에 해당하는데, 이와 같이 비용량 및 용량밀도가 낮은 탄소계 재료를 리튬이차전지용 음극으로 사용할 경우 전지의 비에너지 및 에너지밀도도 이에 비례하여 제한되는 문제점이 있다.That is, the pitch type and specific capacity of the graphite-based carbon materials in the conventional negative electrode material were 200mAh / g and 330mAh / g, and, In terms of the capacity density indicates the capacity of a unit volume of coke carbon material and the graphite material are each 380mAh / cm 3 And 726 mAh / cm 3 , there is a problem that the specific energy and energy density of the battery are also limited in proportion when a carbonaceous material having a low specific capacity and low capacity density is used as a negative electrode for a lithium secondary battery.

전지의 성능 향상을 위하여 흑연재료의 비용량을 능가하는 신규 재료들을 개발하고 있고, 대표적인 고 비용량 재료로서 폴리파라페닐렌(poly para-phenylene : PPP) 및 폴리아센(polyacene : PAS) 재료 및 주석산화물 (SnOx)계 등의 금속산화물에 대한 연구가 진행 중이다. 기본 상용 제품의 비용량 한계를 극복하고 보다 큰 비용량을 갖는 다양한 전극 활물질에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있으나, 고용량을 가지면서 사이클 특성이 안정적이면서 기존의 재료를 대체할 수 있는 전극재료가 아직 개발되지 못하고 있는 실정이다.In order to improve the performance of the battery, new materials are being developed that surpass the specific capacity of graphite materials, and polypara-phenylene (PPP) and polyacene (PAS) materials and tin are representative high specific-cost materials. Research is underway on metal oxides such as oxide (SnOx) systems. Although there are active researches on various electrode active materials that overcome the limitations of the basic commercial product and have a higher specific amount, the electrode material that can replace the existing materials with stable cycle characteristics with high capacity Is not yet developed.

본 발명은 상기한 종래의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 기본적으로 탄소원소로 구성되고 흑연의 구조이성질체하고 할 수 있으며 구조적으로 나노크기의 직경을 가지는 원통형의 재료인 탄소나노튜브를 전극재료로 이용하고 고 비용량을 나타내는 리튬이차전지용 음극을 제조하고, 본 탄소나노튜브 음극 전극을 이용하여 구성하는 리튬이차전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional circumstances, and basically, carbon nanotubes, which are composed of carbon elements, can be structural isomers of graphite, and have structurally nanoscale diameters, are used as electrode materials. An object of the present invention is to provide a lithium secondary battery negative electrode having a high specific capacity and to provide a lithium secondary battery constituted using the present carbon nanotube negative electrode.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다층탄소나노튜브를 결합제 및 분산매와 함께 교반하여 잘 분산한 전극합제를 제조하고, 전극합제를 박막의 집전체 사에 박막으로 도포하여 전극을 제막하며, 건조하여 리튬이차전지용 음극 전극을 제조하고, 제조한 탄소나노튜브 전극을 이용하여 리튬상대전극 및 다공성 격리막과 함께 권취하여 반쪽전지용 젤리롤코어를 제조하고, 제조한 젤리로코어를 리튬염계 유기전해액과 함께 제조한 리튬이차전지를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is to prepare a well-dispersed electrode mixture by stirring a multi-layer carbon nanotubes together with a binder and a dispersion medium, the electrode mixture is applied to the current collector of the thin film as a thin film to form an electrode, dried To prepare a negative electrode for a lithium secondary battery, using a carbon nanotube electrode to be wound together with a lithium relative electrode and a porous separator to prepare a jelly roll core for a half-cell, and the prepared jelly core with a lithium salt-based organic electrolyte It provides a manufactured lithium secondary battery.

또한 전극 제조 방법에서 결합제는 폴리비닐리덴 플로오르, 폴리염화비닐, 테프론 에멀젼, 폴리테트라플루오르에틸렌, 또는 카르복실메틸 셀룰로즈를 포함할 수 있다.In addition, the binder in the electrode manufacturing method may include polyvinylidene fluor, polyvinyl chloride, teflon emulsion, polytetrafluoroethylene, or carboxymethyl cellulose.

또한 전극의 제조방법에서 전극합제 제조를 위한 분산매는 N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone), DMF(dimethyl formamide), DMSO(dimethyl sulfoxide),에탄올, 이소프로판올, 물을 포함할 수 있다.In addition, the dispersion medium for preparing the electrode mixture in the electrode manufacturing method may include N-methylpyrrolidone (N-methylpyrrolidone), DMF (dimethyl formamide), DMSO (dimethyl sulfoxide), ethanol, isopropanol, water.

상기 집전체는 구리 또는 니텔 박막이며, 구리 및 니켈의 폼(foam)을 사용할 수도 있다.The current collector is a copper or nitel thin film, and a foam of copper and nickel may be used.

또한 사용되는 리튬염계 유기전해액은 비양자성(aprotic) 유기용매에 리튬염의 전해질을 용해시킨 것이다. 리튬이차전지의 고체화를 위하여 고체고분자전해질 리튬이차전지로도 제조할 수 있으며, 본 경우 리튬염을 전도할 수 있는 고분자 단독의 매질과 고분자와 유기용매를 혼용하는 고분자매질을 모두 포함할 수 있다.In addition, the lithium salt-based organic electrolyte used is a solution of a lithium salt electrolyte in an aprotic organic solvent. In order to solidify the lithium secondary battery, a solid polymer electrolyte may be prepared as a lithium secondary battery, and in this case, the polymer may include both a medium of a polymer capable of conducting lithium salts and a polymer medium mixed with a polymer and an organic solvent.

이때, 유기용매는 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate), 에틸메틸카보네이트(ethylmethyl carbonate), 메틸프로필카보네이트(methylpropyl carbonate), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate), 1,2-디메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane) 등의 단독 또는 복합 유기용매를 포함한다.At this time, the organic solvent is propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, methylpropyl carbonate, diethyl carbonate, It includes a single or complex organic solvent, such as 1,2-dimethoxyethane (1,2-dimethoxyethane).

단독 또는 복합 유기용매는 과충전 보호 및 방지 또는 안전성 향상을 목적으로 한 전해액 첨가제를 포함할 수 있다.The single or complex organic solvent may include an electrolyte additive for the purpose of protecting and preventing overcharge or improving safety.

또한 양극으로서는 LiCoO2, LiMn2O4, LiCoxNi1-xO2(0≤x≤1), V2O5, LiFePO4또는 이들의 조성변화물을 포함하는 전이금속화합물 재료를 사용할 수 있으며, 음극 제조에서 나타낸 바와 같이 전극합제를 제조하고, 알루미늄 박막 상에 박막 도포하고, 건조 및 압착하여 제조하는 통상적인 리튬이차전지용 양극을 포함한다.As the anode, a transition metal compound material containing LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCo x Ni 1-x O 2 (0 ≦ x ≦ 1), V 2 O 5 , LiFePO 4, or a composition change thereof may be used. And a cathode for a lithium secondary battery, which is prepared by preparing an electrode mixture, applying a thin film on an aluminum thin film, drying and pressing as shown in the cathode production.

본 발명에 따르면, 다층탄소나노튜브는 많은 리튬이온을 저장할 수 있어 비용량이 크고, 리튬이온의 흡착과 탈착이 가역적이어서 기존 리튬이차전지보다 현저히 향상된 에너지 특성을 제공할 수 있다.According to the present invention, the multi-layered carbon nanotubes can store a large amount of lithium ions, and thus have a high specific cost, and thus, adsorption and desorption of lithium ions can be reversible to provide significantly improved energy characteristics than conventional lithium secondary batteries.

도 1은 화학진공증착법으로 제조한 다층탄소나노튜브 재료를 적용하여 제조한 리튬이차전지의 개략도이며,1 is a schematic view of a lithium secondary battery manufactured by applying a multilayer carbon nanotube material manufactured by chemical vacuum deposition.

도 2는 화학진공증착법으로 제조한 다층탄소나노튜브 재료의 X-선 회절경향을 도시한 그래프이며,FIG. 2 is a graph showing the X-ray diffraction trends of multilayer carbon nanotube materials prepared by chemical vacuum deposition.

도 3은 화학진공증착법으로 제조한 다층탄소나노튜브 재료의 입도 분포를 도시한 그래프이며,3 is a graph showing the particle size distribution of multilayer carbon nanotube materials prepared by chemical vacuum deposition;

도 4는 화학진공증착법으로 제조한 다층탄소나노튜브 재료의 주사전자현미경 사진이며,4 is a scanning electron micrograph of a multilayer carbon nanotube material prepared by chemical vacuum deposition;

도 5는 화학진공증착법으로 제조한 다층탄소나노튜브를 이용한 리튬이차전지 반쪽전지의 GCSOC(gradual control test of state of charge))결과의 시간에 따른 전압의 변화를 설명하기 위하여 도시한 그래프이며,FIG. 5 is a graph illustrating a change in voltage over time of a GCSOC (gradual control test of state of charge) result of a lithium secondary battery half cell using multilayer carbon nanotubes prepared by chemical vacuum deposition.

도 6은 화학진공증착법으로 제조한 다층탄소나노튜브를 이용한 리튬이차전지 반쪽전지의 GCSOC 결과의 시간에 따른 전위의 미소변화를 나타내기 위하여 전압축을 세분하여 도시한 것이며,FIG. 6 shows the voltage axis subdivided to show a small change in potential over time of a GCSOC result of a lithium secondary battery half cell using multilayer carbon nanotubes prepared by chemical vacuum deposition.

도 7은 도 5 및 도 6의 결과를 해석하여 충전비용량, 방전비용량, 비가역비용량, 누적비가역비용량의 상호관계를 도시한 그래프이고,FIG. 7 is a graph illustrating the correlation between the charge capacity, the discharge capacity, the irreversible capacity, and the cumulative non-reversible capacity by analyzing the results of FIGS. 5 and 6.

도 8은 아크방전법으로 제조한 다층탄소나노튜브 재료의 X-선 회절경향을 도시한 그래프이며,8 is a graph showing the X-ray diffraction trends of multilayer carbon nanotube materials prepared by the arc discharge method,

도 9는 아크방전법으로 제조한 다층탄소나노튜브를 이용한 리튬이차전지 반쪽전지의 GCSOC 결과의 시간에 따른 전압의 변화를 설명하기 위하여 도시한 그래프이며,FIG. 9 is a graph illustrating a change in voltage over time of a GCSOC result of a lithium secondary battery half cell using multilayer carbon nanotubes prepared by the arc discharge method.

도 10은 아크방전법으로 제조한 다층탄소나노튜브를 이용한 리튬이차전지 반쪽전지의 GCSOC 결과의 시간에 따른 전위의 미소변화를 나타내기 위하여 전압축을 세분하여 도시한 것이며,FIG. 10 shows subdivided voltage axes to show a small change in potential over time of a GCSOC result of a lithium secondary battery half cell using multilayer carbon nanotubes prepared by the arc discharge method.

도 11은 도 9 및 도 10의 결과를 해석하여 충전비용량, 방전비용량, 비가역비용량, 누적비가역비용량의 상호관계를 도시한 그래프이다.FIG. 11 is a graph illustrating the correlation between the charge capacity, the discharge capacity, the irreversible capacity, and the cumulative non-reversible capacity by analyzing the results of FIGS. 9 and 10.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 당업자들에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이며, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 위해서 일부 과장되었다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art, and the shape of the elements in the drawings are exaggerated for clarity.

본 발명의 실시예는 다층탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube) 재료로 이루어진 전극을 리튬이차전지의 전극으로 이용하는 것을 제시한다.An embodiment of the present invention proposes to use an electrode made of a multi-walled carbon nanotube material as an electrode of a lithium secondary battery.

다층탄소나노튜브는 기본적으로 탄소원소로 구성되며, 각 탄소원소는 기본적으로 SP2 혼성 원자궤도를 가진 바, 플러렌 등과 함께 흑연의 구조이성질체라고 할 수 있으며, 다양한 구조 및 형태인 이성질체를 가진다. 통상 나노크기의 직경을 가지는 원통형의 튜브 재료로서 다발(bunch)로 존재하며, 튜브의 내부, 튜브간의 공극(interstitial channel), 흑연층 사이(inter-layer of graphite sheets)에 리튬이온이 도핑(doping)될 수 있는 반응자리가 많아서, 리튬 도핑 비용량이 매우 커서 고비용량을 나타내며, 고에너지의 리튬이차전지 제조를 가능하게 한다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 이러한 다층탄소나노튜브를 폴리비닐리덴플루오르(polyvinylidene fluoride)를 포함하는 결합제를 이용하여 전극합제를 제조하고, 제조한 다층탄소나노튜브 재료 음극 합제를 이용한 리튬이차전지의 다층탄소나노튜브 음극 전극을 제조한다.Multi-layered carbon nanotubes are basically composed of carbon elements, and each carbon element basically has an SP2 hybrid orbit, and can be referred to as a structural isomer of graphite together with fullerene, and has isomers of various structures and forms. Cylindrical tube material, which is usually nano-sized in diameter, exists as a bundle and contains lithium ions doped in the interior of the tube, interstitial channels, and inter-layer of graphite sheets. Since there are many reaction sites, the lithium doping specific amount is very large, indicating a high specific capacity, and enables the production of high energy lithium secondary batteries. In addition, in the embodiment of the present invention, the electrode mixture is prepared using a binder containing polyvinylidene fluoride, and the multilayer carbon nanotube of the lithium secondary battery using the prepared composite carbon nanotube negative electrode material. A multilayer carbon nanotube cathode electrode is prepared.

이하, 도면을 참조하여 구체적인 실시예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

<실시예1>Example 1

리튬이차전지용 전극으로서의 다층탄소나노튜브 전극의 성능 시험을 위한 반쪽전지의 개략적인 구성도면은 대한민국특허(출원번호 10-2002-0030748)에 나타낸 바와 같고, 본 발명의 실시예에 의해 제조된 다층탄소나노튜브를 이용한 리튬이차전지의 구성을 설명하기 위하여 개략적인 도시를 도1에 나타내었다.A schematic configuration diagram of a half cell for performance test of a multilayer carbon nanotube electrode as an electrode for a lithium secondary battery is as shown in Korean Patent Application No. 10-2002-0030748, and the multilayer carbon prepared by the embodiment of the present invention. A schematic illustration is shown in FIG. 1 to explain the configuration of a lithium secondary battery using nanotubes.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 의한 리튬이차전지는 다층탄소나노튜브를 포함하여 이루어지는 음극과 LiCoO2, LiMn2O4, LiCoxNi1-xO2(0≤x≤1), V2O5, LiFePO4또는 이들의 조성변화물을 포함하는 전이금속화합물 재료를 포함하여 이루어지는 양극, 리튬이온의 전도가 가능하고 전자전도가 어렵도록 구성한 다공성 격리막(porous separator), 리튬기준전극 및 리튬염·함유 유기전해액(Lithium salt based organic electrolyte) 포함하여 이루어진다.Specifically, a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention is a negative electrode comprising a multi-layered carbon nanotube and LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCo x Ni 1-x O 2 (0≤x≤1), V 2 A cathode comprising a transition metal compound material containing O 5 , LiFePO 4 or a composition change thereof, a porous separator, a lithium reference electrode, and a lithium salt, which are capable of conducting lithium ions and making electronic conductivity difficult It consists of Lithium salt based organic electrolyte.

다층탄소나노튜브는 "일진나노텍"에서 화학기상증착법(CVD)으로 제조한 것으로 입도 분석을 행하여 도 2에 나타낸 바와 같이 평균입도크기는 35 마이크로미터를 나타내었다.Multi-layered carbon nanotubes were manufactured by chemical vapor deposition (CVD) in "ILJIN Nanotech" and subjected to particle size analysis to show an average particle size of 35 micrometers as shown in FIG. 2.

다층탄소나노튜브는 도 3에 나타낸 바와 같이 X-선 회절경향을 나타내었으며, 다중 흑연층의 면간거리 정보를 나타내는 d002 봉우리의 2세타는 25.61도로서 nλ=2d·sinθ의 식에 따라서 λ값 1.5405Å을 적용하면 흑연층의 면간거리는 3.475Å였다. 흑연층의 면간거리는 3.475Å에 대한 봉우리의 FWHM(full width of half maximum of peak)는 2 세타 값으로 2.3도였으며, 낮은 쪽과 높은 쪽의 2세타는 각각 24.61도 및 26.91도로서 흑연층의 면간거리 값으로는 각각 3.614Å 및 3.403Å에 해당하였다. d002 봉우리의 시작은 약 3.888Å이었으며, 끝은 약 3.034Å로 나타나 흑연층은 다양한 면간거리를 가지고 흑연화도가 낮은 상태로 확인하였다. 도 4에는 다층탄소나노튜브 재료의 전자주사현미경의 10,000배율 사진을 나타내었다.As shown in FIG. 3, the multilayer carbon nanotubes exhibited an X-ray diffraction trend, and the 2 theta of the d002 peak representing the interplanar distance information of the multiple graphite layers was 25.61 degrees, and the lambda value was 1.5405 according to the formula of nλ = 2d · sinθ. Application of, the interplanar distance of the graphite layer was 3.475 Å. The interplanar spacing of the graphite layers was 2.3 degrees F2 for the the maximum width of half maximum of peak (FWHM) of the peaks. The lower and higher two thetas were 24.61 degrees and 26.91 degrees, respectively. The interplanar distance values corresponded to 3.614Å and 3.403Å, respectively. The peak of d002 peak was about 3.888Å and the end was about 3.034Å, which shows that the graphite layer had low graphitization degree with various interplanar distances. 4 shows a 10,000x magnification photograph of an electron scanning microscope of a multilayer carbon nanotube material.

다층탄소나노튜브 음극은 다층탄소나노튜브 재료를 결합제 및 분산매와 함께 교반하여 분산한 전극합제를 제조하고, 전극합제를 박막의 집전체 상에 박막으로 도포하여 전극을 제막하고, 건조 및 압착하여 리튬이차전지용 음극 전극을 제조하고, 제조한 탄소나노튜브 전극을 이용하여 리튬상대전극 및 다공성 격리막과 함께 권취하여 반쪽전지용 젤리롤코어를 제조하고, 제조한 젤리롤코어를 리튬염계 유기전해액 및 리튬기준전극과 함께 리튬이차전지반쪽전지를 제조하여, 나노튜브 전극의 리튬이차전지 음극으로서의 성능을 밝혔다.The multi-layered carbon nanotube negative electrode is prepared by preparing an electrode mixture in which a multi-walled carbon nanotube material is stirred together with a binder and a dispersion medium, and applying the electrode mixture as a thin film on a current collector of a thin film to form an electrode, drying and pressing to form lithium. A negative electrode for a secondary battery was prepared, and a half roll jelly roll core was manufactured by winding together with a lithium counter electrode and a porous separator using the prepared carbon nanotube electrode, and the prepared jelly roll core was used as a lithium salt-based organic electrolyte and a lithium reference electrode. In addition, a lithium secondary battery half cell was produced, and the performance of the nanotube electrode as a lithium secondary battery negative electrode was revealed.

전극 제조 방법에서 결합제는 폴리플루오르화비닐리덴, 폴리염화비닐, 테프론 에멀젼, 폴리사플루오르화에틸렌, 또는 카르복실산 메틸 셀룰로즈를 포함할 수 있다. 전극 결합제의 함량은 1 중량%에서 15 중량% 까지 사용할 수 있다.The binder in the electrode manufacturing method may include polyvinylidene fluoride, polyvinyl chloride, teflon emulsion, polyethylene tetrafluoride, or carboxylic acid methyl cellulose. The content of the electrode binder can be used from 1% by weight to 15% by weight.

다층탄소나노튜브 전극 제조에는 전극의 전자전도 특성향상을 위하여 카본블랙, 기상성장탄소섬유, 흑연나노섬유 등의 도전재료를 1 중량 %에서 10 중량% 까지 첨가하여 사용할 수 있다.In the manufacture of multilayer carbon nanotube electrodes, conductive materials such as carbon black, vapor-grown carbon fiber, graphite nanofiber, and the like may be added by adding 1 wt% to 10 wt% in order to improve electron conduction characteristics of the electrode.

또한 전극 제조 방법에서 전극합제 제조를 위한 분산매는 N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone), DMF(dimethyl formamide), DMSO(dimethyl sulfoxide),에탄올, 이소프로판올, 물을 포함할 수 있다.In addition, the dispersion medium for preparing the electrode mixture in the electrode manufacturing method may include N-methylpyrrolidone (N-methylpyrrolidone), DMF (dimethyl formamide), DMSO (dimethyl sulfoxide), ethanol, isopropanol, water.

건조한 다층탄소나노튜브 전극의 밀도 향상과 거칠기의 완화를 위하여 압착기를 이용하여 전극을 압착하여 밀도를 높이고, 전극표면의 거칠기 정도를 낮춘다. 압착한 전극복합체의 밀도는 0.6g/cm3이었다.In order to improve the density of the dry multilayer carbon nanotube electrode and to reduce the roughness, the electrode is pressed by using a compactor to increase the density and lower the roughness of the electrode surface. The density of the crimped electrode composite was 0.6 g / cm 3 .

집전체는 구리 또는 니켈 박막이며, 구리 및 니켈의 폼(foam)을 사용할 수도 있다.The current collector is a thin film of copper or nickel, and a foam of copper and nickel may be used.

리튬상대전극은 구리 또는 니켈 박막의 집전체 상에 리튬금속을 라미네이션(lamination)하여 사용하였다.The lithium counter electrode was used by laminating lithium metal on a current collector of a copper or nickel thin film.

제조한 다층탄소나노튜브 전극 및 리튬상대전극에는 전기화학반응에 의한 전자의 출입통로인 전극리더(electrode leader)를 초음파 용접하였다.An electrode leader, which is an access passage of electrons by an electrochemical reaction, was ultrasonically welded to the manufactured multilayer carbon nanotube electrode and the lithium relative electrode.

리튬기준전극은 니켈리더(lead)상에 리튬금속을 압착하여 사용하였다.The lithium reference electrode was used by pressing lithium metal on a nickel lead (lead).

또한 사용되는 리튬염계 유기전해액은 비양성자성(aprotic) 유기용매에 리튬염의 전해질을 용해시킨 것이다. 리튬이차전지의 고체화를 위하여 고체고분자전해질 리튬이차전지로도 제조할 수 있으며, 본 경우 리튬염을 전도할 수 있는 고분자단독의 매질과 고분자와 유기용매를 혼용하는 고분자매질을 모두 포함할 수 있다.In addition, the lithium salt-based organic electrolyte used is a solution of a lithium salt electrolyte in an aprotic organic solvent. In order to solidify the lithium secondary battery, a solid polymer electrolyte may be prepared as a lithium secondary battery, and in this case, may include both a polymer-only medium capable of conducting lithium salts and a polymer medium mixed with a polymer and an organic solvent.

이때 리튬염의 전해질은 LiPF6, LiB(OOCCOO)2, LIBF4, LiClO4, LiAsF6, LiCF3SO3등 리튬을 포함하는 이온화합물 모두 포함할 수 있다. 본 실시예에서의 리튬염 유기전해액은 1M LiPF6용액으로서 유기용매는 EC(ethylene carbonate), DEC(diethyl carbonate) 및 DMC(dimethyl carbonate)가 각각 체적비율로 3:5:5로 혼합한 조성이었다.In this case, the electrolyte of the lithium salt may include all of ionic compounds including lithium, such as LiPF 6 , LiB (OOCCOO) 2 , LIBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , and LiCF 3 SO 3 . The lithium salt organic electrolyte in this example was a 1 M LiPF 6 solution, and the organic solvent was a composition in which the ethylene carbonate (EC), the diethyl carbonate (DEC), and the dimethyl carbonate (DMC) were mixed at a volume ratio of 3: 5: 5, respectively. .

또, 유기용매는 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate), 에틸메틸카보네이트(ethylmethyl carbonate), 메틸프로필카보네이트(methylpropyl carbonate), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate), 1,2-디메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane) 등의 단독 또는 복합 유기용매를 포함한다.The organic solvent may be propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, methylpropyl carbonate, diethyl carbonate, It includes a single or complex organic solvent, such as 1,2-dimethoxyethane (1,2-dimethoxyethane).

단독 또는 복합 유기용매는 과충전 보호 및 방지 또는 안전성 향상을 목적으로한 전해액 첨가제를 포함할 수 있다.The single or complex organic solvent may include an electrolyte additive for the purpose of protecting and preventing overcharge or improving safety.

상기한 바의 다층탄소나노튜브 전극, 다공성 격리막 및 리튬상대전극을 리튬이차전지용 젤리를 권취기를 사용하여 젤리롤로 제조하였다. 제조한 젤리롤과 리튬기준전극 및 1M LiPF6EC:DEC:DMC(3:5:5)의 유기전해액을 이용하여 고순도 아르곤 기류하의 드라이박스 내에서 다층탄소나노튜브 리튬이차전지 3전극 반쪽전지를 제조하였다.As described above, the multilayer carbon nanotube electrode, the porous separator, and the lithium counter electrode were prepared using a jelly roll for a lithium secondary battery using a winding machine. Using a prepared jelly roll, a lithium reference electrode, and an organic electrolyte of 1M LiPF 6 EC: DEC: DMC (3: 5: 5), a multi-layer carbon nanotube lithium secondary battery 3-electrode half cell in a dry box under high-purity argon flow Prepared.

다층탄소나노튜브 리튬이차전지 3전극 반쪽전지의 특성은 충방전 시험으로해석하였으며, 충방전시험은 Toscat 3100K 충방전시험기로 상온에서 행하였다. 시험전류는 각 전지의 C/10에 기준하였으며, GCSOC(gradual control test of state of charge) 시험의 제 1차 충방전은 C/7.5mAh/g까지 충전하고 방전종료 전위인 3V(리튬기준전극)까지 방전하였으며, 제2차 충방전은 (C/7.5 ×2)mAh/g까지 충전하고 방전종료전위까지 방전하였으며, 제n차 충방전은 (C/7.5 ×n)mAh/g까지 충전하고 방전 종료 전위까지 방전하였다. 각 충전 및 방전 종료 후에는 0.5시간씩의 휴지시간(rest time)을 주었다.The characteristics of the three-electrode half cell of the multilayer carbon nanotube lithium secondary battery were analyzed by a charge / discharge test. The charge / discharge test was performed at room temperature using a Toscat 3100K charge / discharge tester. The test current was based on C / 10 of each battery, and the primary charge / discharge of the GCSOC (gradual control test of state of charge) test was charged to C / 7.5mAh / g and the discharge end potential was 3V (lithium reference electrode). The second charge and discharge was charged up to (C / 7.5 × 2) mAh / g and discharged to the end of discharge potential, and the nth charge and discharge was charged up to (C / 7.5 × n) mAh / g and discharged The discharge was completed to the end potential. After each charge and discharge, a rest time of 0.5 hours was given.

상기한 바의 시험에서 충전 동안에는 유기전해액 중의 리튬 양이온이 다층탄소나노튜브로 도핑(doping)된다. 방전시에는 다층탄소나노튜브 전극에 도핑된 리튬양이온이 유기전해액 매질 중으로 탈도핑된다.In the test as described above, during charging, lithium cations in the organic electrolyte are doped with multilayer carbon nanotubes. During discharge, lithium cations doped into the multilayer carbon nanotube electrodes are dedoped into the organic electrolyte medium.

도 5는 다층탄소나노튜브 전극을 이용하여 제조한 리튬이차전지 3전극 반쪽전지의 GCSOC 결과를 시간의 변화에 따른 전위의 변화로 나타낸 것이다. 도 6는 전위의 미소변화를 나타내기 위하여 전압축을 세분하여 도시한 것이다. 시험전지 중의 다층탄소나노튜브 함량은 12.8mg(16cm3)이었으며, 시험전류는 0.476mA였으며, GCSOC 스탭(step) 당 49.6 mAh/g의 전기량이 충전 될 수 있도록 하였다.Figure 5 shows the GCSOC results of the lithium secondary battery three-electrode half cell prepared using a multi-layer carbon nanotube electrode as a change in potential with time. 6 shows subdivisions of the voltage axis to show a small change in potential. The multilayer carbon nanotube content in the test cell was 12.8mg (16cm 3 ), the test current was 0.476mA, and 49.6 mAh / g of electricity was charged per GCSOC step.

도 7은 도 5의 결과를 이용하여 충전비용량, 방전비용량, 비가역비용량, 누적비가역비용량을 구하고, 충전비용량에 따른 방전비용량, 비가역비용량, 누적비가역비용량의 관계와 방전비용량에 따른 누적비가역용량의 관계를 나타내고 있다. 각각의 결과는 상호 관계를 함축하여 나타내고 있다. 참고문헌 (1)~(4)에 GCSOC 시험과 분석 및 응용에 대한 세부사항이 자세히 나타나 있다.7 shows the charge capacity, the discharge capacity, the irreversible capacity, the cumulative non-reversible capacity using the results of FIG. 5, and the relationship between the discharge capacity, the irreversible capacity, the cumulative non-reversible capacity and the discharge according to the charge capacity. The relationship between cumulative non-reversible capacity and specific amount is shown. Each result implies an interrelationship. References (1) to (4) provide details on GCSOC testing, analysis and application.

(1) C.H.Doh, H.S. Kim and S.I. Moon ; J. Power Sources, 101(2001), 96(1) C.H.Doh, H.S. Kim and S.I. Moon; J. Power Sources, 101 (2001), 96

(2) C.H.Doh, S.I. Moon, M.S. Yun, C.S. Jin, B.S. Jin, and S.W.Eom : Carbon Science, 1(2000), 36(2) C.H.Doh, S.I. Moon, M.S. Yun, C.S. Jin, B.S. Jin, and S.W.Eom: Carbon Science, 1 (2000), 36

(3) C.H.Doh, S.I. Moon, M.S. Yun, S.W.Eom and J.H. Roh, "A study on The Initial Irreversible Capacity of The Lithium Intercalation using The Gradual Control of State of Charge" : The Abstract of IMLB11 (2002)(3) C.H.Doh, S.I. Moon, M.S. Yun, S.W.Eom and J.H. Roh, "A study on The Initial Irreversible Capacity of The Lithium Intercalation using The Gradual Control of State of Charge": The Abstract of IMLB11 (2002)

(4) C.H.Doh, E.G. Shim, S.J. Choi and S.I. Moon, "A study on Electrochemical Properties of Carbon Nanotube as an Anode of Lithium Rechargeable Battery Using by the Gradual Control of State of Charge" : The Abstract of IMLB11(2002)(4) C.H.Doh, E.G. Shim, S.J. Choi and S.I. Moon, "A study on Electrochemical Properties of Carbon Nanotube as an Anode of Lithium Rechargeable Battery Using by the Gradual Control of State of Charge": The Abstract of IMLB11 (2002)

비가역용량(IIC, the initial irreversible capacity)을 이용하여 전극-전해액 시스템의 비가역 특성을 엄밀히 규정할 수 있으며, 이를 위하여 비가역비용량을 구성하는 세부 특성별로 나누어 표현해야 한다. 비가역비용량은 재료 내부로의 리튬 도핑(인터컬레이션) 특성과 재료 표면과 전해액의 비가역 반응으로 표현할 수 있다. 재료 내부 반응 특성은 인터칼레이션효율(IIE, the initial intercalation Ah efficiency)로 식 1과 같이 나타낼 수 있으며, 표면-전해액 반응 특성은 표면비가역비용량(IICs, the initial irreversible capacity at the surface)으로 나타낼 수 있다. 표면비가역용량 (IICs)과 인터칼레이션효율(IIE)은 각각 전극 표면-전해액과 전극 내부에 의한 비가역비용량 특성을 나타내며, 이들의 관계는 식 2와 같다.The irreversible capacity of the electrode-electrolyte system can be precisely defined using the initial irreversible capacity (IIC). For this purpose, the irreversible capacity must be divided and expressed in detail. The irreversible specific capacity can be expressed by the lithium doping (intercalation) characteristics of the material and the irreversible reaction of the material surface and the electrolyte. The internal reaction characteristics of the material can be expressed as Equation 1 as the initial intercalation Ah efficiency (IIE), and the surface-electrolyte reaction characteristics can be expressed as the initial irreversible capacity at the surface (IICs). Can be. Surface irreversible capacitances (IICs) and intercalation efficiencies (IIEs) represent the irreversible specific capacitance characteristics of the electrode surface-electrolyte and the electrode interior, respectively, and their relationship is shown in Equation 2.

-------------------------------------- (1) -------------------------------------- (One)

--------------------------- (2) --------------------------- (2)

표면비가역비용량(IICs)과 인터칼레이션효율(IIE)은 전극재료의 종류와 전극의 조성 및 전해액의 조성에 따라서 특정되고, 충전상태의 변화에 대해서는 독립적인 특성을 나타낸다.Surface irreversible specific capacities (IICs) and intercalation efficiencies (IIEs) are specified according to the type of electrode material, the composition of the electrode, and the composition of the electrolyte, and exhibit independent characteristics with respect to the state of charge change.

다층탄소나노튜브 전극 리튬이차전지 반쪽전지 비가역비용량(IIC)과 방전비용량(Qd, the discharge capacity)의 관계를 표 1과 같이 구하였다. 충전비용량 또는 방전비용량으로 구분할 때 각각 991 mAh/g 또는 880 mAh/g까지 누적비가역비용량은 방전비용량에 대하여 직선적인 관계를 나타내었다. 이러한 직선관계는 기울기에 따라서 크게 세 개의 영역으로 구분할 수 있다.The relationship between the irreversible specific capacity (IIC) and the discharge specific capacity (Qd, the discharge capacity) of the lithium secondary battery half cell of the multilayer carbon nanotube electrode was obtained as shown in Table 1. When divided into charging capacity or discharge capacity, the cumulative specific reversible capacity up to 991 mAh / g or 880 mAh / g, respectively, showed a linear relationship with the discharge capacity. This linear relationship can be divided into three regions according to the slope.

표 1은 누적비가역비용량과 방전비용량의 관계식과 관계식의 적용 영역을 나타낸 것이다. 표 1에서 [가] 영역은 도 6에서 나타낸 바와 같이 0.8 V(리튬기준전극)까지의 전기화학반응을 나타내고 있으며, 표면비가역 반응에 의한 것이다. [가]영역에 대한 IIE는 3.94 %로서 도핑으로 충전된 비용량의 3.94 %만의 방전됨을 나타내며, IICs가 음의 값으로 나온 것은 반쪽전지의 개회로전압이 2.6V(리튬기준전극)이었는데 3 V(리튬기준전극)까지 방전함으로써 충전량 이상의 전위까지 방전한 결과이다.Table 1 shows the relationship between the cumulative irreversible capacity and the discharge capacity and the application area of the relationship. In Table 1, the [a] region shows an electrochemical reaction up to 0.8 V (lithium reference electrode) as shown in FIG. 6 and is due to the surface irreversible reaction. The IIE for the area [A] is 3.94%, which indicates that only 3.94% of the specific amount charged by the doping was discharged. The negative IICs resulted in 2.6 V (lithium reference electrode) of the half-cell open circuit voltage. This is the result of discharging up to a potential equal to or greater than the charging amount by discharging up to the lithium reference electrode.

표 1에서 [나] 영역은 다층탄소나노튜브 재료에 대한 리튬양이온의 도핑에 의한 전기화학 반응 영역이다. [나] 영역은 충전비용량으로 545 mAh/g까지로서 방전비용량으로는 447 mAh/g에 해당하며, 본 영역에 대한 IIE와 IICs는 각각 33.6%와 370mAh/g이었다.In Table 1, the [b] region is an electrochemical reaction region by doping lithium cations on the multilayer carbon nanotube material. The [b] area is up to 545 mAh / g for the charge capacity and 447 mAh / g for the discharge capacity. The IIE and IICs for this area were 33.6% and 370mAh / g, respectively.

표 1에서 [다] 영역은 도 6의 전위변화도에서 충전 종지 시의 전압이 증가하는 영역에 해당하며, 충전의 진행에 따라 전위가 증가하는 것은 전극에 리튬금속이 석출되어 전극의 전자전도성이 증가하여 과전압(iR-drop)이 감소하였기 때문이다. 본 구간의 IIE는 엄밀한 의미의 인터컬레이션 효율이 아니라 리튬석출에 대한 리튬 용출의 효율로 정의할 수 있다.In Table 1, the [C] region corresponds to a region in which the voltage at the end of charging increases in the potential change diagram of FIG. 6, and the increase in potential with the progress of charging results in the deposition of lithium metal on the electrode and thus the electrical conductivity of the electrode. This is because an overvoltage (iR-drop) decreases due to an increase. The IIE in this section can be defined as the efficiency of lithium elution relative to lithium precipitation, not the exact intercalation efficiency.

상기의 고찰로부터 리튬이차전지용 다층탄소나노튜브 재료 전극의 유효한 방전비용량은 약 447 mAh/g까지로 확인할 수 있다. 약 447 mAh/g의 방전비용량은 흑연재료의 이론비용량인 372 mAh/g을 120 % 상회하는 고비용량이며, 통상의 흑연 및 피치코크 각각의 330 mAh/g 및 200 mAh/g을 각각 135 % 및 223 % 상회하는 고비용량으로 확인할 수 있다.From the above considerations, the effective discharge specific capacity of the multilayer carbon nanotube material electrode for lithium secondary battery can be confirmed up to about 447 mAh / g. The discharge capacity of about 447 mAh / g is higher than 120% of 372 mAh / g, which is the theoretical specific capacity of the graphite material, and 330 mAh / g and 200 mAh / g of the conventional graphite and pitch coke respectively 135 Higher doses above% and 223% can be identified.

영역구분Area classification 충전비용량(mAh/g)Charge capacity (mAh / g) 방전비용량(mAh/g)Discharge specific capacity (mAh / g) 누적비가역비용량과 방전비용량의 관계식(mAh/g)Relationship between Cumulative Reversible Capacity and Discharge Capacity (mAh / g) IIE(%)IIE (%) IICs(mAh/g)IICs (mAh / g) [가][end] 198198 3535 IICsum[A]=24.3526Qd-474.96IICsum [A] = 24.3526Qd-474.96 3.943.94 474.96474.96 [나][I] 545545 447447 IICsum[B]=1.9756Qd+370.361IICsum [B] = 1.9756Qd + 370.361 33.633.6 (370.4)(370.4) [다][All] 991991 880880 IICsum[C]=1.7388Qd+476.35IICsum [C] = 1.7388Qd + 476.35 36.536.5 (476.4)(476.4)

<실시예 2><Example 2>

실시예 1에서 실시한 리튬이차전지는 CVD법으로 제조한 다층탄소나노튜브를 상용하여 음극을 제조하였다. 본 실시예 2에서는 리튬이차전지의 음극을 아크방전법(Arc Discharge)로 제조한 다층탄소나노튜브를 LiCoO2, LiMn2O4, LiCoxNi1-xO2(0≤x≤1), V2O5, LiFePO4또는 이들의 조성변화물을 포함하는 전이금속화합물 재료를 포함하여 이루어지는 양극, 리튬이온의 전도가 가능하고 전자전도가 어렵도록 구성한 다공성 격리막(porous separator), 리튬기준전극 및 리튬염·함유 유기전해액(Lithium salt based organic electrolyte) 포함하여 이루어진다.In the lithium secondary battery of Example 1, a negative electrode was prepared by commercially using multilayer carbon nanotubes prepared by CVD. In Example 2, multilayer carbon nanotubes in which a negative electrode of a lithium secondary battery is manufactured by an arc discharge method are selected from LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCo x Ni 1-x O 2 (0 ≦ x ≦ 1), A positive electrode comprising a transition metal compound material including V 2 O 5 , LiFePO 4 or a composition change thereof, a porous separator, a lithium reference electrode configured to be capable of conducting lithium ions and making electronic conductivity difficult It consists of lithium salt-based organic electrolyte.

다층탄소나노튜브는 "일진나노텍"에서 아크방전법(Arc discharge)으로 제조한 것으로 도 8에 나타낸 바와 같이 X-선 회절경향을 나타내었다. 전극의 제조방법과 GCSOC시험방법은 실시예 1과 동일하다.Multi-layered carbon nanotubes were manufactured by an arc discharge method in "ILJIN NanoTech" and showed X-ray diffraction trends as shown in FIG. 8. The electrode manufacturing method and the GCSOC test method are the same as in Example 1.

도 9는 다층탄소나노튜브 전극을 이용하여 제조한 리튬이차전지 3전극 반쪽전지의 GCSOC 결과를 시간의 변화에 따른 전위의 변화로 나타낸 것이다. 도 10은 전위의 미소변화를 나타내기 위하여 전압축을 세분하여 도시한 것이다. 시험전지 중의 다층탄소나노튜브 함량은 64mg(8cm3)이었으며, 시험전류는 2.374mA였으며, GCSOC 스텝(step) 당 49.6 mAh/g의 전기량이 충전 될 수 있도록 하였다.FIG. 9 illustrates the GCSOC results of a lithium secondary battery three-electrode half cell manufactured using a multilayer carbon nanotube electrode as a change in potential with time. FIG. 10 shows subdivided voltage axes to show small changes in potential. The content of multilayer carbon nanotubes in the test cell was 64mg (8cm 3 ), the test current was 2.374mA, and 49.6 mAh / g of electricity per GCSOC step was charged.

도 11은 도 9의 결과를 이용하여 충전비용량, 방전비용량, 비가역비용량, 누적비가역비용량을 구하고, 충전비용량에 따른 방전비용량, 비가역비용량, 누적비가역비용량의 관계와 방전비용량에 따른 누적비가역용량의 관계를 나타내고 있다. 각각의 결과는 상호 관계를 함축하여 나타내고 있다. 식 1과 식 2로부터 다층탄소나노튜브 전극 리튬이차전지 반쪽전지 비가역비용량(IIC)과 방전비용량(Qd, the discharge capacity)의 관계를 구하였다. 충전비용량 또는 방전비용량으로 구분할때 각각 989 mAh/g 또는 946 mAh/g까지 누적비가역비용량은 방전비용량에 대하여 직선적인 관계를 나타내었다. 이러한 직선관계는 기울기에 따라서 크게 두 개의 영역으로 구분할 수 있다. 첫 번째 영역은 다층탄소나노튜브 재료에 대한 리튬양이온의 도핑에 의한 전기화학 반응 영역이다. 영역에 대한 IIE는 81 %로서 도핑으로 충전된 비용량의 81 %가 방전됨을 나타낸다. 첫 번째 영역의 충전비용량은 197 mAh/g까지로서 방전비용량으로는 181 mAh/g에 해당하며, 본 영역에 대한 IICs는 63 mAh/g이었다.FIG. 11 shows the charge capacity, the discharge capacity, the irreversible capacity, the cumulative non-reversible capacity using the results of FIG. 9, and the relationship between the discharge capacity, the irreversible capacity, the cumulative non-reversible capacity and the discharge according to the charge capacity. The relationship between cumulative non-reversible capacity and specific amount is shown. Each result implies an interrelationship. The relationship between the irreversible specific capacity (IIC) and the discharge capacity (Qd, the discharge capacity) of the half-cell of the multilayer carbon nanotube electrode lithium secondary battery was obtained from the equations (1) and (2). The cumulative non-reversible capacity up to 989 mAh / g or 946 mAh / g, respectively, showed a linear relationship with the discharge capacity. This linear relationship can be largely divided into two regions according to the slope. The first area is the electrochemical reaction area by doping lithium cations on multilayer carbon nanotube materials. The IIE for the area is 81%, indicating that 81% of the specific amount charged by doping is discharged. The charge capacity of the first area was up to 197 mAh / g, and the discharge capacity was 181 mAh / g, and the IICs for this area were 63 mAh / g.

두 번째 영역은 도 9의 전위변화도에서 충전 종지 시의 전압이 증가하는 영역에 해당하며, 충전의 진행에 따라 전위가 증가하는 것은 전극에 리튬금속이 석출되어 전극의 전자전도성이 증가하여 과전압(iR-drop)이 감소하였기 때문이다. 본 구간의 IIE는 엄밀한 의미의 인터컬레이션 효율이 아니라 리튬석출에 대한 리튬 용출의 효율로 정의할 수 있다.The second region corresponds to the region in which the voltage at the end of charging increases in the potential change diagram of FIG. 9, and the increase in electrical potential as the charging progresses results in the deposition of lithium metal on the electrode to increase the electronic conductivity of the electrode, thereby increasing the overvoltage ( iR-drop) is reduced. The IIE in this section can be defined as the efficiency of lithium elution relative to lithium precipitation, not the exact intercalation efficiency.

상기의 고찰로부터 아크방전법으로 제조한 리튬이차전지용 다층탄소나노튜브 재료 전극의 유효한 방전비용량은 약 181 mAh/g까지로 확인할 수 있다.From the above considerations, the effective discharge specific capacity of the multilayer carbon nanotube material electrode for lithium secondary battery manufactured by the arc discharge method can be confirmed up to about 181 mAh / g.

영역구분Area classification 충전비용량(mAh/g)Charge capacity (mAh / g) 방전비용량(mAh/g)Discharge specific capacity (mAh / g) 누적비가역비용량과 방전비용량의 관계식(mAh/g)Relationship between Cumulative Reversible Capacity and Discharge Capacity (mAh / g) IIE(%)IIE (%) IICs(mAh/g)IICs (mAh / g) [가][end] 197197 181181 IICsum[A]=0.2317Qd+63.0IICsum [A] = 0.2317Qd + 63.0 81.281.2 6363 [나][I] 989989 946946 IICsum[B]=0.8917Qd-86.8IICsum [B] = 0.8917Qd-86.8 52.952.9 (-86.8)(-86.8)

<실시예 3><Example 3>

실시예 1 및 실시예 2에서 나타낸 다층탄소나노튜브 재료 전극을 이용한 리튬이차전지 반쪽전지를 구성함에 있어 리튬상대전극을 리튬이차전지용 양극으로 대체함으로서 다층탄소나노튜브 재료 전극을 이용한 리튬이차전지를 구성할 수 있다.In constructing a lithium secondary battery half cell using the multilayer carbon nanotube material electrodes shown in Examples 1 and 2, a lithium secondary battery using a multilayer carbon nanotube material electrode was formed by replacing the lithium relative electrode with a cathode for a lithium secondary battery. can do.

실시예 1에 따라서 제조한 탄소나노튜브 음극을 이용하여 리튬이차전지용 양극 및 다공성 격리막과 함께 권취하여 리튬이차전지용 젤리롤코어를 제조하고, 제조한 젤리롤코어를 리튬염계 유기전해액과 함께 전반적인 제조공정을 통하여 리튬이온전지를 제공한다.The carbon nanotube anode prepared according to Example 1 was wound together with a cathode and a porous separator for a lithium secondary battery to prepare a jelly roll core for a lithium secondary battery, and the prepared jelly roll core was combined with a lithium salt-based organic electrolyte in an overall manufacturing process. It provides a lithium ion battery through.

리튬이차전지용 양극의 제조를 위한 재료는 LiCoO2, LiMn2O4, LiCoxNi1-xO2(0≤x≤1), V2O5, 4~5V급 전극재료인 LiFePO4또는 이들의 조성변화물을 포함하는 전이금속화합물 재료를 사용할 수 있다. 음극 제조에서 나타낸 바와 같이 전극합제를 제조하고, 알루미늄 박막 상에 박막 도포하고, 건조 및 압착하여 리튬이차전지용 양극을 제조한다.LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCo x Ni 1-x O 2 (0≤x≤1), V 2 O 5 , LiFePO 4 which is a 4-5V class electrode material or these materials A transition metal compound material containing a composition change of may be used. As shown in the negative electrode preparation, an electrode mixture is prepared, a thin film is applied on an aluminum thin film, dried and compressed to prepare a positive electrode for a lithium secondary battery.

리튬이차전지용 양극의 제조에 있어서 결합제는 폴리플루오르화비닐리덴, 폴리염화비닐, 테프론 에멀젼, 폴리사플루오르화에틸렌, 또는 카르복실산 메틸 셀룰로즈를 포함할 수 있다. 전극 결합제의 함량은 1 중량%에서 15 중량% 까지 사용할 수 있다. 리튬이차전지용 양극의 제조에 있어서 전극의 전자전도 특성향상을 위하여 카본블랙, 기상성장탄소섬유, 흑연나노섬유 등의 도전재료를 1 중량 %에서 10 중량% 까지 첨가하여 사용할 수 있다. 전극합제 제조를 위한 분산매는 N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone), DMF(dimethyl formamide), DMSO(dimethyl sulfoxide),에탄올, 이소프로판올, 물을 포함할 수 있다.In the preparation of the positive electrode for a lithium secondary battery, the binder may include polyvinylidene fluoride, polyvinyl chloride, teflon emulsion, polyethylene tetrafluoride, or carboxylate methyl cellulose. The content of the electrode binder can be used from 1% by weight to 15% by weight. In the manufacture of a positive electrode for a lithium secondary battery, conductive materials such as carbon black, vapor-grown carbon fiber, graphite nanofiber, and the like may be added in an amount of 1% by weight to 10% by weight in order to improve the electronic conductivity of the electrode. The dispersion medium for preparing the electrode mixture may include N-methylpyrrolidone (N-methylpyrrolidone), dimethyl formamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), ethanol, isopropanol, and water.

한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예들에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허 청구 범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술 사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.On the other hand, the present invention is not limited to the above-described typical preferred embodiments, but can be carried out in various ways without departing from the gist of the present invention various modifications, changes, substitutions or additions are common in the art. Those who have knowledge will easily understand. If the implementation by such improvement, change, replacement or addition falls within the scope of the appended claims below, the technical idea should also be regarded as belonging to the present invention.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 화학진공증착 다층탄소나노튜브를 리튬이차전지의 음극재료로 사용하여, 유효 방전비용량 447 mAh/g을 나타내는 고비용량의 리튬이차전지용 음극을 발명하였다. 아크방전법으로 제조한 다층 탄소나노튜브 재료의 경우에도 181 mAh/g의 방전비용량을 나타낼 수 있었다.As described in detail above, according to the present invention, a high-capacity lithium secondary battery negative electrode having an effective discharge specific capacity of 447 mAh / g was invented using a chemical vapor deposition multilayer carbon nanotube as a negative electrode material of a lithium secondary battery. In the case of the multilayer carbon nanotube material manufactured by the arc discharge method, it was possible to exhibit a discharge specific capacity of 181 mAh / g.

화학진공증착법으로 제조한 다층탄소나노튜브의 리튬이차전지용 고비용량 음극재료는 방전비용량이 447 mAh/g으로서 흑연재료의 이론비용량인 372 mAh/g을 120 % 상회하는 수준이며, 통상의 흑연 및 피치코크 각각의 330 mAh/g 및 200 mAh/g을 각각 135 % 및 223 %를 상회하는 고비용량으로 확인할 수 있다.The high-capacity negative electrode material for lithium secondary batteries of multilayer carbon nanotubes manufactured by chemical vacuum deposition has a discharge cost of 447 mAh / g, which is 120% higher than the theoretical specific capacity of 372 mAh / g of graphite materials. Pitch coke can be identified with high specific capacities of 330 mAh / g and 200 mAh / g, respectively, exceeding 135% and 223%.

Claims (15)

다층탄소나노튜브 재료와 결합제 및 분산매를 혼합하여 전극합제를 제조하는 제 1단계와;A first step of preparing an electrode mixture by mixing a multilayer carbon nanotube material, a binder, and a dispersion medium; 상기 전극합제를 집전체에 도포하고 건조하는 제 2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 전극 제조방법.Lithium secondary battery electrode manufacturing method comprising the step of applying the electrode mixture to a current collector and dried. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 다층탄소 나노튜브는 화학기상증착법과 아크방전법에서 선택된 어느 하나로 제조한 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 전극 제조방법.The multilayer carbon nanotube is a lithium secondary battery electrode manufacturing method, characterized in that produced by any one selected from chemical vapor deposition and arc discharge method. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 결합제는 카본블랙, 기상성장탄소섬유, 흑연나노섬유 중에서 선택된 적어도 하나의 도전재료를 1중량%에서 10중량%의 범위내에서 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 전극 제조방법The binder is a lithium secondary battery electrode manufacturing method comprising at least one conductive material selected from carbon black, vapor-grown carbon fiber, graphite nanofibers in the range of 1% to 10% by weight. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 분산매는 N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone), DMF(dimethyl formamide), DMSO(dimethyl sulfoxide),에탄올, 이소프로판올, 물 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 전극 제조방법The dispersion medium is at least one selected from N-methylpyrrolidone (N-methylpyrrolidone), DMF (dimethyl formamide), DMSO (dimethyl sulfoxide), ethanol, isopropanol, water 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전극합제가 도포된 금속박막을 압착하는 제 3단계를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 전극 제조방법.And further comprising a third step of pressing the metal thin film coated with the electrode mixture. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 결합제는 폴리플루오르화비닐리덴, 폴리염화비닐, 테프론 에멀젼, 폴리사플루오르화에틸렌 및 카르복실산 메틸 셀룰로즈 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 결합제를 1중량%에서 20중량%의 범위내에서 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 전극 제조방법The binder comprises at least one binder selected from polyvinylidene fluoride, polyvinyl chloride, teflon emulsion, polyethylene tetrafluoride and carboxylic acid methyl cellulose in the range of 1% to 20% by weight. Lithium secondary battery electrode manufacturing method 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 집전체는 구리박막과 니켈박막, 구리 폼(foam) 및 니켈 폼 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 전극 제조방법.The current collector is a lithium secondary battery electrode manufacturing method, characterized in that any one selected from a copper thin film, nickel thin film, copper foam (foam) and nickel foam. 제 1항 내지 제 7항중 어느 한 항에 의하여 제조된 전극으로 이루어진 음극과;A negative electrode comprising an electrode prepared according to any one of claims 1 to 7; 전이금속화합물 재료를 포함하여 이루어지는 양극과;An anode comprising a transition metal compound material; 리튬이온의 전도가 가능하고 전자전도가 어렵도록 구성한 다공성 격리막과;A porous separator configured to be capable of conducting lithium ions and making electronic conductivity difficult; 리튬염을 전도시키는 리튬염 전도매질을 포함하여 이루어진 것을 특징으로하는 리튬이차전지.A lithium secondary battery comprising a lithium salt conductive medium for conducting lithium salts. 제 8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 양극의 전이금속화합물 재료는 LiCoO2, LiMn2O4, LiCoxNi1-xO2(0≤x≤1), V2O5, LiFePO4과 이들의 조성변화물 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 거을 특징으로 하는 리튬이차전지.The transition metal compound material of the positive electrode is at least one selected from LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCo x Ni 1-x O 2 (0 ≦ x ≦ 1), V 2 O 5 , LiFePO 4 and composition variations thereof Lithium secondary battery characterized by the above. 제 8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 격리막은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리플루오르화비닐리덴 계열의 다공성 격리막인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.The separator is a lithium secondary battery, characterized in that the porous separator of polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride series. 제 8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 리튬염 전도매질은 비양성자성의 단독 유기용매와 복합 유기용매 중에서 선택된 어느 하나에 리튬염의 전해질을 용해시킨 리튬염 함유 유기전해액인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.The lithium salt conducting medium is a lithium secondary battery, characterized in that the lithium salt-containing organic electrolyte solution in which the electrolyte of the lithium salt dissolved in any one selected from aprotic single organic solvent and composite organic solvent. 제 11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 리튬염의 전해질은 LiPF6, LiB(OOCCOO)2, LIBF4, LiClO4, LiAsF6, LiCF3SO3중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.The lithium salt electrolyte is at least one selected from LiPF 6 , LiB (OOCCOO) 2 , LIBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 . 제 8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 리튬염 전도매질은 리튬염을 전도할 수 있는 고분자 매질인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.The lithium salt conducting medium is a lithium secondary battery, characterized in that the polymer medium capable of conducting lithium salt. 제 8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 리튬염 전도매질은 리튬염을 전도할 수 있는 고분자와 유기용매를 혼용한 복합 유기용매인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.The lithium salt conductive medium is a lithium secondary battery, characterized in that the composite organic solvent mixed with a polymer capable of conducting lithium salt and an organic solvent. 제 8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 리튬염 전도매질은 바이페닐(binphenyl), 바이벤질(bibenzyl), 스틸벤(stilbene), 1,2-디페닐아세틸렌(1,2-diphenylacetylene), 디페닐에테르(diphenyl ether), 비닐에틸렌타보네이트(vinyl ethylene carbonate) 중에서 적어도 하나 이상의 전해액 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.The lithium salt conducting medium is biphenyl (binphenyl), bibenzyl, stilbene, 1,2-diphenylacetylene (1,2-diphenylacetylene), diphenyl ether, vinyl ethylene tabo Lithium secondary battery comprising at least one electrolyte additive in a vinyl (ethylene carbonate).
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