KR101501439B1 - 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극 합제가 집전체에 도포되어 있는 이차전지용 전극으로서, 상기 전극 활물질은 2차 입자의 평균 입경(D50)이 0.01 내지 30 ㎛인 양극 활물질 및/또는 음극 활물질이고, 상기 양극 활물질은 하기 화학식 1로 표시되는 산화물을 포함하고, 상기 음극 활물질은 하기 화학식 2의 산화물을 포함하며, 상기 전극 합제는 10 내지 500 ㎛의 두께로 집전체에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.
LixMyMn2-yO4-zAz (1)
상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0<y<2, 0≤z<0.2이고,
M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이며;
A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이다.
LiaM’bO4-cAc (2)
상기 식에서, M’은 Ti, Sn, Cu, Pb, Sb, Zn, Fe, In, Al 및 Zr로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이고; a 및 b는 0.1≤a≤4; 0.2≤b≤4의 범위에서 M’의 산화수(oxidation number)에 따라 결정되며; c는 0≤c<0.2의 범위에서 산화수에 따라 결정되고; A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이다.

Description

이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지{The Electrodes For Secondary Battery and the Secondary Battery Comprising the Same}
본 발명은, 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극 합제가 집전체에 도포되어 있는 이차전지용 전극으로서, 상기 전극 활물질은 2차 입자의 평균 입경(D50)이 0.01 내지 30 ㎛인 양극 활물질 및/또는 음극 활물질이고, 상기 양극 활물질은 하기 화학식 1로 표시되는 산화물을 포함하고, 상기 음극 활물질은 하기 화학식 2의 산화물을 포함하며, 상기 전극 합제는 10 내지 500 ㎛의 두께로 집전체에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.
LixMyMn2-yO4-zAz (1)
상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0<y<2, 0≤z<0.2이고,
M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이며;
A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이다.
LiaM’bO4-cAc (2)
상기 식에서, M’은 Ti, Sn, Cu, Pb, Sb, Zn, Fe, In, Al 및 Zr로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이고; a 및 b는 0.1≤a≤4; 0.2≤b≤4의 범위에서 M’의 산화수(oxidation number)에 따라 결정되며; c는 0≤c<0.2의 범위에서 산화수에 따라 결정되고; A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이다.
화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 리튬 이차전지의 경우, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV)의 동력원으로서의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있다.
일반적으로 리튬 이차전지는 전극 활물질로서 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 양극과 카본계 활물질을 포함하는 음극 및 다공성 분리막으로 이루어진 전극조립체에 리튬 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다. 양극은 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 양극 합제를 알루미늄 호일에 코팅하여 제조되며, 음극은 카본계 활물질을 포함하는 음극 합제를 구리 호일에 코팅하여 제조된다.
이러한 슬러리 내의 고형분의 양을 증가시킬 경우, 전지의 용량 특성이 향상될 수 있으나, 상대적으로 두꺼워진 전극으로 인하여, 전자 전도 통로가 길어져 저항이 증가되며, 이로 인하여 출력 특성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
또한, 슬러리 내의 활물질 입자 크기가 작을수록 패킹 밀도(packing density)가 증가하므로 상대적으로 동일 무게 대비 전극 두께가 두꺼워져 입자 크기가 작을수록 전지의 출력 특성이 더욱 저하될 수 있다.
따라서, 활물질의 입자 크기 대비 전극의 두께를 적절히 조절하여 이차전지의 성능을 개선할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 0.01 내지 30 ㎛ 입경을 가지는 전극 활물질을 포함하는 전극 합제가 10 내지 500 ㎛의 두께로 도포되어 있는 이차전지용 전극을 사용하는 경우, 소망하는 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명은 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극 합제가 집전체에 도포되어 있는 이차전지용 전극으로서, 상기 전극 활물질은 2차 입자의 평균 입경(D50)이 0.01 내지 30 ㎛인 양극 활물질 및/또는 음극 활물질이고, 상기 양극 활물질은 하기 화학식 1로 표시되는 산화물을 포함하고, 상기 음극 활물질은 하기 화학식 2의 산화물을 포함하며, 상기 전극 합제는 10 내지 500 ㎛의 두께로 집전체에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극을 제공한다.
LixMyMn2-yO4-zAz (1)
상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0<y<2, 0≤z<0.2이고,
M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이며;
A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이다.
LiaM’bO4-cAc (2)
상기 식에서, M’은 Ti, Sn, Cu, Pb, Sb, Zn, Fe, In, Al 및 Zr로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이고; a 및 b는 0.1≤a≤4; 0.2≤b≤4의 범위에서 M’의 산화수(oxidation number)에 따라 결정되며; c는 0≤c<0.2의 범위에서 산화수에 따라 결정되고; A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이다.
앞서 설명한 바와 같이, 활물질 입자의 크기가 작을수록 패킹 밀도(packing density)가 증가하므로, 동일 무게 대비 전극 두께가 두꺼워질 수 있다. 이 경우 전자 전도 통로가 길어지므로 저항이 상승하여 이차전지의 성능이 저하될 수 있다.
이에, 본 발명에 따른 이차전지용 전극은 전극 활물질의 입자 크기에 따라, 집전체에 도포되는 슬러리의 두께를 한정하여, 최적의 전자 전도성을 나타내므로, 우수한 출력 특성을 나타낼 수 있다.
이러한 양극 활물질의 입경이 작아질수록, 집전체에 대한 도포 두께는 얇아질 수 있다.
상세하게는, 상기 전극 활물질의 2차 입자 평균 입경(D50)이 0.1 ㎛ 이상 1 ㎛ 미만인 경우, 상기 전극 합제는 10 내지 40 ㎛의 두께; 2차 입자 평균 입경(D50)이 1 ㎛ 이상 3 ㎛ 미만일 경우, 상기 전극 합제는 10 내지 60 ㎛의 두께; 2차 입자 평균 입경(D50)이 3 ㎛ 이상 5 ㎛ 미만일 경우, 상기 전극 합제는 10 내지 100 ㎛의 두께; 2차 입자 평균 입경(D50)이 5 ㎛ 이상 7 ㎛ 미만일 경우, 상기 전극 합제는 10 내지 140 ㎛의 두께; 2차 입자 평균 입경(D50)이 7 ㎛ 이상 10 ㎛ 미만일 경우, 상기 전극 합제는 10 내지 190 ㎛의 두께; 2차 입자 평균 입경(D50)이 10 ㎛ 이상 15 ㎛ 미만일 경우, 상기 전극 합제는 10 내지 270 ㎛의 두께; 2차 입자 평균 입경(D50)이 15 ㎛ 이상 20 ㎛ 미만일 경우, 상기 전극 합제는 10 내지 370 ㎛의 두께;로 집전체에 도포될 수 있다.
상기에서 정의한 이차전지의 평균 입경 및 그에 따른 전극 합제의 도포 두께는 본원발명에서 소망하는 최적의 효과를 발휘하기 위한 범위이므로 이를 벗어날 경우 활물질의 기공율에 영향을 줄 수 있어 전극 접착강도의 문제가 발생하거나 전극의 전도도가 높아져 전지의 저항이 증가할 수 있어 바람직하지 않다.
즉, 활물질의 입자 크기가 작아질수록, 패킹 밀도가 증가하므로, 이를 포함하는 양극 합제의 집전체에 대한 도포 두께를 얇아지므로, 전지의 출력 특성 저하를 방지할 수 있을 뿐 아니라, 동일 무게당 전극의 부피가 감소하므로 전체 전지의 부피를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서의 산화물의 2차 입자 평균 입경(D50)은, 다수의 1차 입자들이 응집되어 하나의 조합체를 형성할 때의 입경을 의미하다. 양극 활물질은 제조과정의 설정 조건에 따라 각각의 1차 입자들이 서로 응집되어 하나의 조합체를 형성하는 경향이 있으며, 그러한 응집 조합체는 그 자체로 활물질 특성을 발휘한다. 따라서, 상기 산화물의 2차 입자 평균 입경은 바람직하게는 이러한 응집 조합제의 입경을 의미한다. 1차 입자의 평균 입경(D50)은 예를 들어, 0.01 내지 5 ㎛일 수 있다.
양극 활물질로 상기 화학식 1의 산화물은 하기 화학식 3으로 표시될 수 있다.
LixNiyMn2-yO4 (3)
상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0.4≤y≤0.5이고;
좀더 상세하게는, 상기 화학식 3의 산화물은 LiNi0.5Mn1.5O4 또는 LiNi0.4Mn1.6O4 일 수 있다.
음극 활물질로서 상기 화학식 2의 산화물은 하기 화학식 4로 표시되는 산화물일 수 있다.
LiaTibO4 (4)
상기 식에서 a 및 b는 0.1≤a≤4; 0.2≤b≤4이다.
좀더 상세하게는, 상기 화학식 4의 산화물은 Li1.33Ti1.67O4 또는 LiTi2O4일 수 있다.
이러한 리튬 티탄산 산화물의 높은 전위로 인하여 상대적으로 고전위를 가지는 LiNixMn2-xO4(x = 0.01 ~ 0.6 임)의 스피넬 리튬 망간 복합 산화물을 양극 활물질로 사용할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지용 전극을 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지는 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되는 양극과, 동일한 방법을 사용하여 제조되는 음극을 포함하며, 이 경우, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가기도 한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 앞서 정의한 물질을 사용할 수 있으나, 예를 들어, 추가로, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 사용할 수 있다.
상기 도전재는 앞서 언급한 카본 나노 튜브 또는 그래핀 새로운 물질을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 물질은 양극 활물질을 포함한 양극합제 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 첨가될 수 있으며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합제 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 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. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 앞서 정의한 물질을 사용할 수 있으나, 예를 들어, 추가로, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료를 사용할 수 있다.
이러한 이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극조립체에 리튬염 함유 전해액이 함침되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 리튬염 함유 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공하고, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상의 설명과 같이 본 발명에 따른 이차전지용 전극은 전극 활물질의 입자 크기에 따라 집전체에 도포되는 전극 슬러리의 두께를 한정하여, 최적의 전자 전도성을 나타내므로, 이를 포함하는 이차전지는 내부 저항이 감소하므로 우수한 출력 특성 및 충전 속도를 나타낸다.
<실시예 1>
2차 입자의 평균 입경이 2.12 ㎛인 LiNi0.5Mn1.5O4 (양극 활물질) 90 중량%, Super-p(도전제) 5 중량% 및 PVdF(결합제) 5 중량%를 NMP에 첨가하여 양극 합제를 제조하였다. 이러한 양극 합제를 43.05 ㎛의 두께로 알루미늄 집전체에 도포, 건조, 및 압착하여 이차전지용 양극을 제조하였다.
<실시예 2>
실시예 1에서 2차 입자의 평균 입경이 4.32 ㎛인 LiNi0.5Mn1.5O4 (양극 활물질)을 제조하여 양극 합제를 제조 후, 46.84 ㎛ 의 두께로 알루미늄 집전체에 도포한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차전지용 양극을 제조하였다.
<실시예 3>
실시예 1에서 2차 입자의 평균 입경이 8.57 ㎛인 LiNi0.5Mn1.5O4 (양극 활물질)을 제조하여 양극 합제를 제조 후, 51.56 ㎛ 의 두께로 알루미늄 집전체에 도포한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차전지용 양극을 제조하였다.
<비교예 1>
실시예 1에서 2차 입자의 평균 입경이 31.16 ㎛인 LiNi0.5Mn1.5O4 (양극 활물질)을 제조하여 양극 합제를 제조 후, 502.56 ㎛ 의 두께로 알루미늄 집전체에 도포한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차전지용 양극을 제조하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 양극의 기공율을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
입자 크기 (㎛) 전극 도포 두께(㎛) 기공율(%)
실시예 1 2.12 43.05 28
실시예 2 4.32 46.84 31
실시예 3 8.57 51.56 35
비교예 1 31.16 502.56 62
상기 표 1에 따르면 실시예 1 내지 3의 양극의 경우, 비교예 1의 전지에 비하여 기공율이 매우 작은 것을 알 수 있다. 상기 표 1 의 실시예 1 내지 3에 해당하는 최적의 기공율은 해당 전지의 저항에 의해 결정될 수 있다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 양극과 Li1.33Ti1.67O4 93.5 중량%, Super-C(도전제) 2 중량% 및 PVdF(결합제) 4.5 중량%를 NMP에 첨가하여 음극 합제를 제조한 후, 알루미늄 집전체에 도포, 건조 및 압착하여 제조한 음극 및 폴리프로필렌으로 제조된 다공성 분리막을 사용하여 전극조립체를 제조하였다. 그 후, 상기 전극조립체를 파우치에 넣고 리드선을 연결한 후, 1 M의 LiPF6 염이 녹아있는 부피비 1 : 1 : 1의 에틸렌카보네이트(EC), 다이메틸카보네이트(DMC), 에틸메틸카보네이트(EMC) 의 혼합 용액을 전해질로 주입한 다음, 밀봉하여 리튬 이차전지를 조립하였다. 이러한 이차전지의 5Ah 용량을 기준으로 환산 저항을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
입자 크기 (㎛) 전극 도포 두께(㎛) 10s 저항(mΩ)
실시예 1 2.12 43.05 2.21
실시예 2 4.32 46.84 2.38
실시예 3 8.57 51.56 2.89
비교예 1 31.16 502.56 7.14
상기 표 2에 따르면 실시예 1 내지 3의 전지의 경우, 입자 크기에 따른 패킹 밀도가 증가하여 도포 두께가 얇아지므로 비교예 1의 전지와 비교하여 전지의 저항이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행사는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 전극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 전극 합제가 집전체에 도포되어 있는 이차전지용 전극으로서, 상기 전극 활물질은 2차 입자의 평균 입경(D50)이 0.01 ㎛ 이상 내지 20 ㎛ 미만인 양극 활물질, 또는 음극 활물질, 또는 양극 활물질 및 음극 활물질이고, 상기 양극 활물질은 하기 화학식 3로 표시되는 산화물을 포함하고, 상기 음극 활물질은 하기 화학식 4의 산화물을 포함하며, 상기 전극 합제는 10 내지 370 ㎛의 두께로 집전체에 도포되어 있으며,
    상기 전극 활물질의 2차 입자 평균 입경(D50)이 0.1 ㎛ 이상 1 ㎛ 미만 일 경우, 상기 전극 합제는 10 내지 40 ㎛의 두께로 집전체에 도포되어 있고,
    상기 전극 활물질의 2차 입자 평균 입경(D50)이 1 ㎛ 이상 3 ㎛ 미만일 경우, 상기 전극 합제는 10 내지 60 ㎛의 두께로 집전체에 도포되어 있으며,
    상기 전극 활물질의 2차 입자 평균 입경(D50)이 3 ㎛ 이상 5 ㎛ 미만일 경우, 상기 전극 합제는 10 내지 100 ㎛의 두께로 집전체에 도포되어 있고,
    상기 전극 활물질의 2차 입자 평균 입경(D50)이 5 ㎛ 이상 7 ㎛ 미만일 경우, 상기 전극 합제는 10 내지 140 ㎛의 두께로 집전체에 도포되어 있으며,
    상기 전극 활물질의 2차 입자 평균 입경(D50)은 7 ㎛ 이상 10 ㎛ 미만일 경우, 상기 전극 합제는 10 내지 190 ㎛의 두께로 집전체에 도포되어 있고,
    상기 전극 활물질의 2차 입자 평균 입경(D50)이 10 ㎛ 이상 15 ㎛ 미만일 경우, 상기 전극 합제는 10 내지 270 ㎛의 두께로 집전체에 도포되어 있고,
    상기 전극 활물질의 2차 입자 평균 입경(D50)이 15 ㎛ 이상 20 ㎛ 미만일 경우, 상기 전극 합제는 10 내지 370 ㎛의 두께로 집전체에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극:
    LixNiyMn2-yO4 (3)
    상기 식에서, 0.9≤x≤1.2, 0.4≤y≤0.5이고,
    LiaTibO4 (4)
    상기 식에서 a 및 b는 0.1≤a≤4; 0.2≤b≤4이다.
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  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 활물질의 1차 입자 평균 입경(D50)은 0.01 내지 5 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 산화물은 LiNi0.5Mn1.5O4 또는 LiNi0.4Mn1.6O4 인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 화학식 4의 산화물은 Li1.33Ti1.67O4 또는 LiTi2O4로 표시되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  14. 제 1 항, 제 9 항, 제 11 항, 및 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 이차전지용 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  16. 제 15 항에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 16 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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