KR101739863B1 - 리튬 이차 전지 - Google Patents

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KR101739863B1
KR101739863B1 KR1020150172621A KR20150172621A KR101739863B1 KR 101739863 B1 KR101739863 B1 KR 101739863B1 KR 1020150172621 A KR1020150172621 A KR 1020150172621A KR 20150172621 A KR20150172621 A KR 20150172621A KR 101739863 B1 KR101739863 B1 KR 101739863B1
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남상철
김영상
이상혁
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재단법인 포항산업과학연구원
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Abstract

양극 집전체 자체가 전지의 외장재로 사용되는 리튬 이차 전지를 제공하고자 한다.

Description

리튬 이차 전지 {LITHIUM RECHARGEABLE BATTERY}
리튬 이차 전지에 관한 것이다.
이른바 "착용 가능한 전자 기기"를 의미하는 웨어러블 디바이스(wearable device)는, 사용자와 가장 가까운 거리에서 상호 소통할 수 있는 차세대 전자기기로 주목 받고 있다.
이는, 기본적으로 "전자 기기"로서, 충방전이 가능한 이차 전지 형태의 전원 장치를 포함할 수 있고, 에너지 밀도 측면에서는 리튬 이차 전지가 유리할 수 있다.
다만, 현재 상용화된 구조의 파우치형 리튬 이차 전지는, 알루미늄 소재의 패키지가 외장재로 사용되며, 그 내부에 양극, 음극, 분리막, 전해질 등의 전지 구성 요소가 다층 박막 구조로 내장되어 있어, "착용 가능한" 정도의 유연성(flexibility)을 가지면서도 안전성(safety)을 지니는 데 한계가 있다.
앞서 지적된 한계를 극복하기 위해, 본 발명의 일 구현예에서는, 양극 집전체 자체가 전지의 외장재로 사용되는 리튬 이차 전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에서는,
제1 양극 집전체; 상기 제1 양극 집전체의 일면에 위치하는 제1 양극 활물질 층; 및 상기 제1 양극 활물질 층을 둘러싸는 제1 분리막;을 포함하는, 제1 패키지 층;
음극 층; 및
제2 양극 집전체; 상기 제2 양극 집전체의 일면에 위치하는 제2 양극 활물질 층; 및 상기 제2 양극 활물질 층을 둘러싸는 제2 분리막;을 포함하는, 제2 패키지 층;을 포함하는 리튬 이차 전지이며,
상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막은 대향하고, 상기 제1 양극 집전체의 타면 및 상기 제2 양극 집전체의 타면은 각각 상기 리튬 이차 전지의 외부를 향하고,
상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막 사이에 상기 음극 층이 위치하고, 상기 음극 층의 일면이 상기 제1 분리막과 접하고, 상기 음극 층의 타면이 상기 제2 분리막과 접하는 것인,
리튬 이차 전지를 제공하며, 이하에서는 그 구조 및 구성 요소를 간략히 설명한다.
제1 양극 집전체 및 제2 양극 집전체
우선, 상기 제1 양극 집전체 및 상기 제2 양극 집전체는 각각, 전지 패키지의 역할 및 양극 집전체 판의 역할을 동시에 수행하는 것일 수 있다.
이때, 상기 제1 양극 집전체 및 상기 제2 양극 집전체는 각각, 알루미늄(Al), 또는 니켈(Ni)로 이루어진 포일(foil)일 수 있다.
한편, 상기 제1 양극 집전체의 타면 및 상기 제2 양극 집전체의 타면은 각각, 고분자 필름이 코팅된 것일 수 있다.
상기 고분자 필름은, 예를 들어, 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyehylene terephthalate, PET), 폴리메틸메타아크릴레이트(Polymethyl methacrylate, PMMA),폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol, PVA),셀룰로오즈(Cellulose),폴리비닐클로라이드(Polyvinyl chloride,PVC),폴리스티렌(Polystylene,PS),폴리카보네이트(Polycarbonate,PC),폴리아마이드(Polyamide,PA),폴리올레핀계인 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌(Polypropylene,PP 또는 Polyethylene, PE,), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylene naphthalate,PEN),폴리에테르술폰(Polyethersulfone,PES), 액정고분자수지(Liquid Crystal Polymer, LCP), 및 나일론(Nylon) 중에서 선택되는 고분자 중 1 종 이상으로 이루어진 것일 수 있다.
밀봉 층
상기 리튬 이차 전지는, 상기 제1 양극 집전체 및 상기 제2 양극 집전체 사이에 위치하는, 밀봉 층;을 더 포함하는 것일 수 있다.
이때, 상기 밀봉 층은, 상기 리튬 이차 전지의 외부로부터, 제1 양극 활물질 층, 상기 제1 분리막, 상기 음극 층, 상기 제2 분리막, 및 상기 제2 양극 활물질 층을 밀봉하는 역할을 할 수 있다.
상기 밀봉 층은, 예를 들어, 에틸렌 바이닐 아세테이트(Ethylene Vinyl Acetate, EVA), 폴리우레탄(Polyurethane,PU), 폴리아마이드(Polyamide,PA), 및 폴리올레핀계 고분자인 폴리프로필렌(Polypropylene,PP) 및 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 밀봉재로 이루어진 것일 수 있다. 이때 폴리올레핀계는 화학적으로 표면처리된 제1 양극 집전체층과 제 2 양극 집전체층 사이에 위치하여 열 융착(hot lamination)될 수 있다.
음극 층
상기 음극 층의 경우, 플라스틱 기판; 및 상기 플라스틱 기판의 일면 또는 양면에 위치하는 음극 집전체 판;을 포함하는 것일 수 있다.
상기 플라스틱 기판은, 예를 들어, 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyehylene terephthalate, PET), 폴리메틸메타아크릴레이트(Polymethyl methacrylate, PMMA),폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol, PVA),셀룰로오즈(Cellulose),폴리비닐클로라이드(Polyvinyl chloride,PVC),폴리스티렌(Polystylene,PS),폴리카보네이트(Polycarbonate,PC),폴리아마이드(Polyamide,PA),폴리올레핀계인 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌(Polypropylene,PP 또는 Polyethylene, PE,), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylene naphthalate,PEN),폴리에테르술폰(Polyethersulfone,PES), 액정고분자수지(Liquid Crystal Polymer, LCP), 및 나일론(Nylon) 중에서 선택되는 고분자 중 1 종 이상으로 이루어진 것일 수 있다.
또한, 상기 음극 집전체 판은, 예를 들어, 연성 동박 적층 필름(Flexible Copper Clad Laminate) 구조의 구리 포일(Cu foil)인 것일 수 있다.
한편, 상기 음극 집전체 판은, 상기 플라스틱 기판의 일면에 위치하는, 제1 음극 집전체 판; 및 상기 플라스틱 기판의 다른 일면에 위치하는, 제2 음극 집전체 판;을 포함하는, 서로 다른 두 개의 음극 집전체 판일 수 있다.
이 경우, 상기 제1 음극 집전체 판 및 상기 제2 음극 집전체 판을 연결하는 비아 홀(via hole);을 더 포함할 수 있다.
이와 독립적으로, 상기 음극 층은, 상기 음극 집전체 판에 위치하는 음극 활물질 층;을 더 포함하는 것일 수 있고,
상기 음극 활물질 층은,리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질, 및 전이 금속 산화물 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 음극 활물질을 포함하는 것일 수 있다.
제1 양극 활물질 층 및 제2 양극 활물질 층
상기 제1 양극 활물질 층 및 상기 제2 양극 활물질 층은 각각, 층상계 금속 산화물인 양극 활물질을 포함하는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 층상계 금속 산화물인 양극 활물질은, 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 1] XaA1 - bRbD2
(상기 화학식 1에서, X는 Li 및 Na에서 선택되는 하나이상의 원소이고, A는 Ni, Co, Mn 및 V 중에서 선택되는 하나 이상의 원소이고, R은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, Zr, Ti 및 희토류 원소 중에서 선택되는 하나 이상의 원소이고, D는 O, F, S, 및 P 중에서 선택되는 하나 이상의 원소이고, a는 0 ≤ a ≤ 2.4를 만족하는 것이고, b는 0 ≤ b ≤ 0.5를 만족하는 것임)
제1 분리막 및 제2 분리막
상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막은 각각, 폴리에터(polyether), 폴리에틸렌(Polyethylene,PE),폴리프로필렌(Polypropylene,PP), 및 부직포 중에서 선택되는 고분자 중 1 종 이상으로 이루어진 것일 수 있다.
한편, 상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막은 각각, 액체 전해질이 함침된 것일 수 있다.
상기 액체 전해질은, 예를 들어, 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계, 및 비양성자성 용매 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 비수성 유기 용매; 및 리튬염;을 포함하는 것일 수 있다.
전해질 층
한편, 상기 리튬 이차 전지는, 고체 전해질, 고분자 전해질, 젤 전해질, 또는 이들의 조합인 형태의 전해질 층;을 더 포함하고,상기 전해질 층은, 상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막 중 적어도 하나 이상의 분리막과 접하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지는, 양극 집전체 자체가 전지의 외장재로 사용되는 구조적 변화를 통해, 유연성을 가지면서도 안전성이 확보된 이점이 있다.
도 1은, 현재 상용화된 구조의 파우치형 리튬 이차 전지를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지의 구조를 상세하게 도시한 것이다.
도 4는, 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지 중, 음극 층의 구조를 예시한 것이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지 중, 양극 층의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지 중, 음극 층의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지에 대해, 초기 충방전 특성을 기록한 것이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지에 대해, 사이클 수명 특성 및 안전성 평가 결과를 기록한 것이다.
도 9은, 본 발명의 일 비교예에 따른 리튬 이차 전지에 대해, 사이클 수명 특성 및 안전성 평가 결과를 기록한 것이다.
이하, 본 발명의 일 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
따라서, 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
우선, 도 1 내지 3을 참고하여, 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지의 구조를 설명한다.
도 1은, 현재 상용화된 구조의 파우치형 리튬 이차 전지를 개략적으로 도시한 것으로, 외장재로 사용되는 패키지와 별도로, 양극, 음극, 분리막, 전해질 등의 각 전지 구성 요소가 내장된 구조이다.
이는, 두 개의 패키지 층 사이에, 두 개의 음극 층, 두 개의 분리막 (및/또는 전해질) 층과, 하나의 양극 층이 위치하는 구조로, 총 7층의 다층 구조를 기본으로 하는 바, 1) 그 유연성(flexibility)에 제약이 있고, 2) 최대로 구현 가능한 에너지밀도에도 한계가 있으며, 3) 안전성(safety)이 보장될 수 없다.
구체적으로, 각각의 전극 층은 전극 활물질이 코팅된 전극 집전체를 포함할 수 있으나, 두 개의 패키지 층이 별도로 존재함에 따라, 전극 활물질의 로딩량을 늘리더라도, 최대로 구현 가능한 에너지밀도에 한계가 있는 것이다.
나아가, 외부적인 힘을 가할 경우, 각각의 전극 집전체에서 전극 활물질이 탈리될 수 있고, 이로 인해 양극 층과 음극 층이 단락(shortage)될 수 있으며, 그 결과 전지가 부풀거나(swelling) 기체가 발생하는 등의 문제가 발생하여, 안전성(safety)이 보장될 수 없다.
이와 달리, 도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 양극 집전체 자체가 외장재로 사용되는 구조임에, 도 1의 구조와 차이가 있다.
구체적으로, 두 개의 양극 집전체 사이에, 두 개의 분리막 (및/또는 전해질)과, 하나의 음극 층이 위치하여, 도 1의 총 7층보다 감소된 층수(즉, 총 5층)에 의해, 1) 유연성은 물론, 2) 최대로 구현 가능한 에너지밀도가 증가하며, 3) 안전성(safety)이 보장될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3은, 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지의 구조를 상세하게 도시한 것으로, 두 개의 양극 집전체 자체가 외장재(즉, 패키지)로 사용되며, 그러한 두 개의 외장재 자체에 양극 활물질 층이 코팅되며, 음극 층을 사이에 두고 두 개의 분리막이 내장되어 있음을 살펴볼 수 있다.
또한, 두 개의 양극 집전체 사이에는 두 개의 밀봉 층이 위치하며, 내장된 구성 요소들을 사이에 두고 밀봉될 수 있다. 이에 따라, 외부로부터 수분이 내부로 유입되는 것을 방지하고, 두 개의 양극 집전체와 음극 층의 단락(shortage)이 방지될 수 있다.
선택적으로, 두 개의 양극 집전체의 외부에 각각 고분자 필름이 코팅될 수 있는데, 이 경우, 양극 집전체 표면을 보호함과 동시에, 그 내구성, 유연성 등을 증대시킬 수 있고, 단락을 방지하는 효과가 증대될 수 있다.
보다 상세하게, 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지는,
제1 양극 집전체; 상기 제1 양극 집전체의 일면에 위치하는 제1 양극 활물질 층; 및 상기 제1 양극 활물질 층을 둘러싸는 제1 분리막;을 포함하는, 제1 패키지 층;
음극 층; 및
제2 양극 집전체; 상기 제2 양극 집전체의 일면에 위치하는 제2 양극 활물질 층; 및 상기 제2 양극 활물질 층을 둘러싸는 제2 분리막;을 포함하는, 제2 패키지 층;을 포함하는 리튬 이차 전지이며,
상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막은 대향하고, 상기 제1 양극 집전체의 타면 및 상기 제2 양극 집전체의 타면은 각각 상기 리튬 이차 전지의 외부를 향하고,
상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막 사이에 상기 음극 층이 위치하고, 상기 음극 층의 일면이 상기 제1 분리막과 접하고, 상기 음극 층의 타면이 상기 제2 분리막과 접하는 것이다.
이하에서는 그 구조 및 구성 요소를 구체적으로 설명한다.
제1 양극 집전체 및 제2 양극 집전체
앞서 설명한 바와 같이, 상기 제1 양극 집전체 및 상기 제2 양극 집전체는 각각, 전지 패키지의 역할 및 양극 집전체 판의 역할을 동시에 수행하는 것일 수 있다.
위와 같은 두 가지 역할을 동시에 수행할 수 있는 소재를, 상기 제1 양극 집전체 및 상기 제2 양극 집전체에 적용할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 양극 집전체 및 상기 제2 양극 집전체는 각각, 알루미늄(Al), 또는 니켈(Ni)로 이루어진 포일(foil)일 수 있다.
한편, 상기 제1 양극 집전체의 타면 및 상기 제2 양극 집전체의 타면은 각각, 고분자 필름이 코팅되어, 양극 집전체 표면을 보호함과 동시에, 그 내구성, 유연성 등을 증대시킬 수 있고, 단락을 방지할 수 있다.
상기 고분자 필름은, 예를 들어, 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyehylene terephthalate, PET), 폴리메틸메타아크릴레이트(Polymethyl methacrylate, PMMA),폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol, PVA),셀룰로오즈(Cellulose),폴리비닐클로라이드(Polyvinyl chloride,PVC),폴리스티렌(Polystylene,PS),폴리카보네이트(Polycarbonate,PC),폴리아마이드(Polyamide,PA),폴리올레핀계인 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌(Polypropylene,PP 또는 Polyethylene, PE,), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylene naphthalate,PEN),폴리에테르술폰(Polyethersulfone,PES), 액정고분자수지(Liquid Crystal Polymer, LCP), 및 나일론(Nylon) 중에서 선택되는 고분자 중 1 종 이상으로 이루어진 것일 수 있다.
밀봉 층
앞서 언급한 바와 같이, 상기 리튬 이차 전지는, 상기 제1 양극 집전체 및 상기 제2 양극 집전체 사이에 위치하는, 밀봉 층;을 더 포함하는 것일 수 있다.
이때, 상기 밀봉 층은, 상기 리튬 이차 전지의 외부로부터, 제1 양극 활물질 층, 상기 제1 분리막, 상기 음극 층, 상기 제2 분리막, 및 상기 제2 양극 활물질 층을 밀봉하는 역할을 할 수 있다.
상기 밀봉 층은, 예를 들어, 에틸렌 바이닐 아세테이트(Ethylene Vinyl Acetate, EVA), 폴리우레탄(Polyurethane,PU), 폴리아마이드(Polyamide,PA), 및 폴리올레핀계 고분자인 폴리프로필렌(Polypropylene,PP) 및 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 에서 선택되는 적어도 하나 이상의 밀봉재로 이루어진 것일 수 있다. 이때 폴리올레핀계는 화학적으로 표면처리된 제1 양극 집전체층과 제 2 양극 집전체층 사이에 위치하여 열 융착(hot lamination)될 수 있다.
음극 층
상기 음극 층의 경우, 플라스틱 기판; 및 상기 플라스틱 기판의 일면 또는 양면에 위치하는 음극 집전체 판;을 포함하는 것일 수 있다.
이처럼 음극 층에 플라스틱 기판을 적용하고, 상기 음극 집전체 판으로는 연성 동박 적층 필름(Flexible Copper Clad Laminate) 구조의 구리 포일(Cu foil)을 사용하여, 전지의 유연성을 보다 증대시킬 수 있다.
이때, 상기 플라스틱 기판으로는, 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyehylene terephthalate, PET), 폴리메틸메타아크릴레이트(Polymethyl methacrylate, PMMA),폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol, PVA),셀룰로오즈(Cellulose),폴리비닐클로라이드(Polyvinyl chloride,PVC),폴리스티렌(Polystylene,PS),폴리카보네이트(Polycarbonate,PC),폴리아마이드(Polyamide,PA),폴리올레핀계인 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌(Polypropylene,PP 또는 Polyethylene, PE,), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylene naphthalate,PEN),폴리에테르술폰(Polyethersulfone,PES), 액정고분자수지(Liquid Crystal Polymer, LCP), 및 나일론(Nylon) 중에서 선택되는 고분자 중 1 종 이상으로 이루어진 것을 사용할 수 있다.
구조적으로는, 도 4에 개략적으로 도시된 것과 같이, 상기 플라스틱 기판의 양면에, 상기 음극 집전체 판 두 개를 각각 위치시키고, 접착제(adhesive)를 이용하여 붙일 수 있다.
나아가, 상기 두 개의 음극 집전체 판 사이에 비아 홀(via hole)을 형성하고, 그 표면에 구리 박막을 도금함으로써, 상기 두 개의 음극 집전체 판을 서로 연결시킬 수 있다.
다시 말해, 상기 음극 집전체 판은, 상기 플라스틱 기판의 일면에 위치하는, 제1 음극 집전체 판; 및 상기 플라스틱 기판의 다른 일면에 위치하는, 제2 음극 집전체 판;을 포함하는 것일 수 있고, 이 경우, 상기 제1 음극 집전체 판 및 상기 제2 음극 집전체 판을 연결하는 비아 홀(via hole);을 더 포함할 수 있다.
이러한 구조는, 단순히 구리 포일(Cu foil)만을 음극 집전체로 사용하는 것보다 크게 증가된 유연성(flexibility)을 발현할 수 있을 뿐만 아니라, 전지의 용량을 증대시킬 수 있다.
이와 독립적으로, 상기 음극 층은, 상기 음극 집전체 판에 위치하는 음극 활물질 층;을 더 포함하는 것일 수 있다.
이때, 상기 음극 활물질 층은, 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질, 및 전이 금속 산화물 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 음극 활물질을 포함하는 것일 수 있다.
상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질로는 탄소 물질로서, 리튬 이온 이차 전지에서 일반적으로 사용되는 탄소계 음극 활물질은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.
상기 리튬 금속의 합금으로는 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al 또는 Sn의 금속과의 합금이 사용될 수 있다.
상기 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질로는 Si, SiOx(0 < x < 2), Si-C 복합체, Si-Q 합금(상기 Q는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합이며, Si은 아님), Sn, SnO2, Sn-C 복합체, Sn-R(상기 R은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합이며, Sn은 아님) 등을 들 수 있다. 상기 Q 및 R의 구체적인 원소로는, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po 또는 이들의 조합을 들 수 있다.
상기 전이 금속 산화물로는 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등을 들 수 있다.
상기 음극 활물질 층은 또한 바인더를 포함하며, 선택적으로 도전재를 더욱 포함할 수도 있다.
상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.
제1 양극 활물질 층 및 제2 양극 활물질 층
한편, 상기 제1 양극 활물질 층 및 상기 제2 양극 활물질 층은 각각, 층상계 금속 산화물인 양극 활물질을 포함하는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 층상계 금속 산화물인 양극 활물질은, 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 1] XaA1 - bRbD2
(상기 화학식 1에서, X는 Li 및 Na에서 선택되는 하나이상의 원소이고, A는 Ni, Co, Mn 및 V 중에서 선택되는 하나 이상의 원소이고, R은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, Zr, Ti 및 희토류 원소 중에서 선택되는 하나 이상의 원소이고, D는 O, F, S, 및 P 중에서 선택되는 하나 이상의 원소이고, a는 0 ≤ a ≤ 2.4를 만족하는 것이고, b는 0 ≤ b ≤ 0.5를 만족하는 것임)
상기 화학식 1과 관련하여, 상기 층상계 금속 산화물인 양극 활물질은, 상기 X원소가 Li일 수 있고, A 원소에 따라 이른바 LCO계, NMC계, LMO계 등의 화합물이 될 수 있다. 또한, 상기 R 및 D원소에 따라 도핑된 화합물일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 LCO계 화합물의 대표적인 예로는, 후술되는 실시예에서 사용한 리튬 코발트 산화물(Lithium cobalt oxide, LiCoO2)를 들 수 있다. 또한, 상기 NMC계 화합물은, 각 금속의 몰비에 특별히 한정되지 않지만, Ni:Mn:Co=6:2:2인 것 이상으로 Ni의 함량이 높은 화합물, 예를 들어 LiNi0 . 90Co0 . 08Mn0 . 02O2를 사용할 수 있다.
물론 이 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 서로 다른 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 코팅층은 코팅 원소 화합물로서, 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트 또는 코팅 원소의 하이드록시카보네이트를 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, P, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 양극 활물질 층은 또한 바인더 및 도전재를 포함한다.
상기 바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 등을 사용할 수 있고, 또한 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 재료를 1종 또는 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
제1 분리막 및 제2 분리막
상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막은 각각, 상기 음극 층과 상기 양극 층을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것이다. 도 3에서는 상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막이 각각 상기 제1 양극 활물질 층을 에워싸는(surrounded) 형태로 도시하였으나, 상기 음극 층과 상기 양극 층을 분리할 수 있다면, 덮거나(covered), 둘러싸는(wrapped) 등의 형태로도 적용 가능하다.
또한, 상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막은 각각, 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 소재의 것이라면 모두 사용 가능하다.　즉, 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다.　
예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것으로서, 부직포 또는 직포 형태이어도 무방하다.　
보다 구체적인 예를 들어, 폴리에터(polyether), 폴리에틸렌(Polyethylene,PE),폴리프로필렌(Polypropylene,PP), 및 부직포 중에서 선택되는 고분자 중 1 종 이상으로 이루어진 것일 수 있다.
한편, 상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막은 각각, 액체 전해질이 함침된 것일 수 있다.
상기 액체 전해질은, 예를 들어, 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계, 및 비양성자성 용매 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 비수성 유기 용매; 및 리튬염;을 포함하는 것일 수 있다.
상기 비수성 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다.
상기 비수성 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다.
상기 카보네이트계 용매로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있다.
상기 에스테르계 용매로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 1,1-디메틸에틸 아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone) 등이 사용될 수 있다.
상기 에테르계 용매로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다.
또한 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있으며, 상기 비양성자성 용매로는 R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류 디메틸포름아미드 등의 아미드류, 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다.
상기 비수성 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 널리 이해될 수 있다.
또한, 상기 카보네이트계 용매의 경우 환형(cyclic) 카보네이트와 사슬형(chain) 카보네이트를 혼합하여 사용하는 것이 좋다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 약 1:1 내지 약 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다.
상기 비수성 유기용매는 상기 카보네이트계 용매에 상기 방향족 탄화수소계 유기용매를 더 포함할 수도 있다. 이때 상기 카보네이트계 용매와 상기 방향족 탄화수소계 유기용매는 약 1:1 내지 약 30:1의 부피비로 혼합될 수 있다.
상기 방향족 탄화수소계 유기용매로는 하기 화학식 1의 방향족 탄화수소계 화합물이 사용될 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112015119105232-pat00001
상기 화학식 1에서, R1 내지 R6는 각각 독립적으로 수소, 할로겐, C1 내지 C10의 알킬기, C1 내지 C10의 할로알킬기 또는 이들의 조합이다.
상기 방향족 탄화수소계 유기용매는 벤젠, 플루오로벤젠, 1,2-디플루오로벤젠, 1,3-디플루오로벤젠, 1,4-디플루오로벤젠, 1,2,3-트리플루오로벤젠, 1,2,4-트리플루오로벤젠, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 1,3-디클로로벤젠, 1,4-디클로로벤젠, 1,2,3-트리클로로벤젠, 1,2,4-트리클로로벤젠, 아이오도벤젠, 1,2-디아이오도벤젠, 1,3-디아이오도벤젠, 1,4-디아이오도벤젠, 1,2,3-트리아이오도벤젠, 1,2,4-트리아이오도벤젠, 톨루엔, 플루오로톨루엔, 1,2-디플루오로톨루엔, 1,3-디플루오로톨루엔, 1,4-디플루오로톨루엔, 1,2,3-트리플루오로톨루엔, 1,2,4-트리플루오로톨루엔, 클로로톨루엔, 1,2-디클로로톨루엔, 1,3-디클로로톨루엔, 1,4-디클로로톨루엔, 1,2,3-트리클로로톨루엔, 1,2,4-트리클로로톨루엔, 아이오도톨루엔, 1,2-디아이오도톨루엔, 1,3-디아이오도톨루엔, 1,4-디아이오도톨루엔, 1,2,3-트리아이오도톨루엔, 1,2,4-트리아이오도톨루엔, 자일렌 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
상기 비수성 전해질은 전지 수명을 향상시키기 위하여 비닐렌 카보네이트 또는 하기 화학식 2의 에틸렌 카보네이트계 화합물을 더욱 포함할 수도 있다.
[화학식 2]
Figure 112015119105232-pat00002
상기 화학식 2에서, R7 및 R8는 각각 독립적으로 수소, 할로겐기, 시아노기(CN), 니트로기(NO2) 또는 C1 내지 C5의 플루오로알킬기이며, 상기 R7과 R8중 적어도 하나는 할로겐기, 시아노기(CN), 니트로기(NO2) 또는 C1 내지 C5의 플루오로알킬기이다.
상기 에틸렌 카보네이트계 화합물의 대표적인 예로는 디플루오로 에틸렌카보네이트, 클로로에틸렌 카보네이트, 디클로로에틸렌 카보네이트, 브로모에틸렌 카보네이트, 디브로모에틸렌 카보네이트, 니트로에틸렌 카보네이트, 시아노에틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트 등을 들 수 있다. 상기 비닐렌 카보네이트 또는 상기 에틸렌 카보네이트계 화합물을 더욱 사용하는 경우 그 사용량을 적절하게 조절하여 수명을 향상시킬 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수성 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질이다. 상기 리튬염의 대표적인 예로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI, LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB) 또는 이들의 조합을 들 수 있으며, 이들을 지지(supporting) 전해염으로 포함한다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.
전해질 층
한편, 상기 리튬 이차 전지는, 고체 전해질, 고분자 전해질, 젤 전해질, 또는 이들의 조합인 형태의 전해질 층;을 더 포함하고,상기 전해질 층은, 상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막 중 적어도 하나 이상의 분리막과 접하는 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 고체 전해질 층은, 10-4S/cm 안팎의 높은 이온전도도를 갖는 산화물계(예를 들어, LLZO계, LATP계, LLTO계 등의 산화물계) 이온전도체 분말을 고체 전해질로 사용하고, 폴리우레탄(Polyurethane) 등의 바인더를 결합체로 사용하여, 이온성 액체와 함께 혼합된 형태로 형성된 것일 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 2 내지 7을 참고하여, 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지를 실제로 제작하였다.
(1) 우선, 서로 다른 두 개의 양극 집전체를 준비하여, 각각의 일면에 양극 활물질 층을 형성하였다.
구체적으로, 15 ㎛ 두께의 알루미늄 포일(Al foil)을 양극 집전체로 사용하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 그 일면에 양극 활물질 층을 형성하였다.
이때, 추후 밀봉(sealing)을 염두에 두고, 윗면은 전극 단자인 탭(tab)을 연결하기 위해 6 ㎜이상의 폭을 확보하고, 나머지 3면은 4 ㎜이상의 폭을 확보한 상태에서, 나머지 면적(3x3cm2)에 양극 활물질 층을 형성하였다.
보다 구체적으로, 한편, 양극 활물질로는 평균 입경인 5 ㎛인 리튬 코발트 산화물(Lithium cobalt oxide, LiCoO2, 포스코ESM)를, 도전재로는 덴카 블랙(Denka black, Denka), 바인더로는 액상의 KF7208 (8중량% PVDF, Kureha)을 각각 사용하여, 양극활물질:도전재:바인더의 중량비가 96.6:1.5:1.8가 되도록 혼합하여, 양극 슬러리를 제조하였다.
여기서, 균일한 혼합을 위해 플랜터리 믹서(planetary mixer, Kurabo)를 이용하였으며, 양극 슬러리 내 고형분 함량이 약 30 중량%되도록 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)을 첨가하며 점도를 조정하였다.
이처럼 제조된 양극 슬러리는, 15 ㎛ 두께의 알루미늄 포일(Al foil) 상에 3x3cm2으로 패터닝(pattering)된 면적에, 닥터 블레이드(Doctor blade)를 이용하여 코팅한 후, 건조 및 압연 공정을 거쳐, 최종적으로 약 47㎛의 두께를 가지도록 하였다.
(2) 이와 독립적으로, 도 4 및 도 6의 구조를 동시에 만족하는 음극 층을 제조하였다.
구체적으로, 음극 판으로는 25 ㎛두께의 폴리 이미드(polyimide) 필름을 사용하였고, 그 양면에 각각 18 ㎛두께이며 FCCL(Flexible Copper Clad Laminate)구조인 구리 포일(copper foil)을 위치시키고, 접착제를 이용하여 접착한 후, 한쪽 부위에 직경 0.3mm의 비아 홀(via hole) 구조의 미세 구조를 형성하여, 양면이 통전되도록 하였다.
이때, 음극 판의 크기는 양극 활물질 층의 3x3cm2 면적보다 약간 크게 하였으며, 도 6과 같이 음극판 상부에 음극 단자를 연결하였다. 이때, 음극 단자로는 약 2.5 ㎜폭을 갖는 니켈 탭(Ni tab)을 사용하여, 초음파로 용접하였다.
각각의 FCCL 구조인 구리 포일(copper foil) 표면에는, 진공 열 증착법(thermal evaporation)을 이용하여, 금속 리튬(Li-Metal)3㎛이상 두께로 균일하게 코팅하여, 음극 활물질 층을 형성하였다.
이때의 진공 열 증착 조건은, 0.5g의 금속 리튬(Li-Metal, FMC)을 몰리브덴 보트(Mo boat)에 장입한 후, 진공 상태에서(2x10-6 torr이하의 압력) 서서히 전압을 인가하여 100 ㎚/min의 증착 속도를 부가한 것이며, 코팅 속도는 두께 모니터 제어기(thickness monitor controller)를 이용하여 실시간으로 관찰하였다.
(3) 양극 층과 음극 층 사이의 단락을 방지하기 위한 분리막으로는 16 ㎛ 두께의 폴리에터(Polyether) 재질의 분리막(separator, SKI)을 사용하고, 앞서 제조된 각 구성 요소와 함께 도 3의 구조로 적층하였다.
두 개의 양극 집전체 사이는, EVA(ethylene vinyl acetate) 접착 테이프를 밀봉 면에 맞게 재단하여 밀봉하였으며, 전극 탭(tab)이 위치한 면을 제외하고 모두 밀봉된 전지에 전해액을 주입하고, 진공 열 압착하여 최종 전지의 형태를 완성하였다. 이때 사용한 전해액은 1.2M LiPF6 in EC:EMC=3:7 vol% 였다.
편의상 본 실시예에서는 (1) 내지 (3)의 순서로 전지를 제작하였으나, 이와 동일한 구조의 전지를 그 순서에 구애 받지 않고 제작할 수 있다.
비교예 1
도 1을 참고하여, 현재 상용화된 구조의 파우치형 리튬 이차 전지를 제작하였다.
구체적으로, 양극판 제조공정은 실시예와 동일하며, 양면 코팅하였다. 단, 음극판 제조는 두께 10um의 구리(Cu) foil의 단면에 금속 리튬 포일(500 ㎛,Honjo metal)를 압연하여 붙인후 이를 각각의 양극판에 서로 마주보도록 배치한 후, Al 파우치로 패키지 하였다.
평가예 1: 초기 충방전 특성 평가
실시예 1의 전지에 대해, LiCoO2의 기준 용량을 4.3V 내지 3.0V의 전압 영역에서 150mAh/g으로 설정하고, 0.1C-rate에서 충방전을 수행하였다.
도 7은 그 초기 충방전 곡선을 기록한 것으로, 전형적인 LiCoO2의 충방전 곡선이 나타나는 것이 확인되며, 이때 방전 용량은 151.5 mAh/g임을 알 수 있다.
평가예 2: 사이클 수명 특성 및 안전성 평가
실시예 1 및 비교예 1의 각 전지에 대해, 평가예 1과 동일한 조건으로 총 20회의 충방전 사이클을 수행하되, 6 회 사이클 후 7회 사이클 이전에, ±15°의 각도로 상하 반복적으로 비틀림(torsion) 외압을 200회 인가한 뒤, 나머지 사이클을 수행하였다. 그 결과를 도 8(실시예 1) 및 도 9(비교예 1)에 각각 기록하였다.
도 8을 참고하면, 실시예 1의 전지는, 6 회 충방전 시, 약 0.4%의 용량 감소가 나타나며, 매우 양호한 충방전 특성이 나타남을 알 수 있다.
이와 더불어, 실시예 1의 전지에 대해, 상기 비틀림(torsion) 외압을 200회 인가한 직후 148.7mAh/g의 방전 용량이 측정되어, 외압 인가 전후로 약 1.6% 정도의 용량이 감소했을 뿐, 7회 이후에는 안정적인 사이클 수명을 나타냄을 알 수 있다.
도 9를 참고하면, 비교예 1의 전지는, 초기 방전 용량이 151.3mAh/g로 측정되어, 평가예 1과 유사한 결과가 나타났다. 그러나, 상기 비틀림(torsion) 외압을 200회 인가한 직후의 용량 감소율이 더 크게 나타났다. 구체적으로, 7회 사이클에서 146mAh/g의 방전 용량을 나타냄으로서 3.4%의 용량이 감소함을 알 수 있으며, 그 이후에서도 지속적으로 용량이 감소하는 것으로 나타났다.
따라서, 평가예 1 및 2의 결과를 종합하여, 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지는, 현재 상용화된 도 1의 구조로 제조된 전지에 비해 유연성이 증가하고, 안정적인 충방전 특성을 나타내는 것으로 평가할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 전지 패키지
2: 음극 2a: 음극 활물질 층
3: 분리막/전해질
4: 양극 4a: 양극 활물질 층
10: 고분자 필름 코팅
20: 음극 집전체 40: 양극 집전체 50: 밀봉 층

Claims (20)

  1. 제1 패키지 층; 음극 층; 및 제2 패키지 층;을 포함하는 리튬 이차 전지이되,
    상기 제1 패키지 층은, 제1 양극 집전체; 상기 제1 양극 집전체의 일면에 위치하는 제1 양극 활물질 층; 및 상기 제1 양극 활물질 층을 둘러싸는 제1 분리막;을 포함하고,
    상기 제2 패키지 층은, 제2 양극 집전체; 상기 제2 양극 집전체의 일면에 위치하는 제2 양극 활물질 층; 및 상기 제2 양극 활물질 층을 둘러싸는 제2 분리막;을 포함하고,
    상기 제1 양극 집전체의 타면 및 상기 제2 양극 집전체의 타면이 각각 상기 리튬 이차 전지의 외부를 향하여, 상기 제1 양극 집전체 및 상기 제2 양극 집전체가 각각 상기 리튬 이차 전지의 패키지이자 양극 집전체 판인 역할을 수행하고,
    상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막은 대향하고,
    상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막 사이에 상기 음극 층이 위치하고, 상기 음극 층의 일면이 상기 제1 분리막과 접하고, 상기 음극 층의 타면이 상기 제2 분리막과 접하는 것인,
    리튬 이차 전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극 집전체 및 상기 제2 양극 집전체는 각각,
    알루미늄(Al), 또는 니켈(Ni)로 이루어진 포일(foil)인 것인,
    리튬 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극 집전체의 타면 및 상기 제2 양극 집전체의 타면은 각각,
    고분자 필름이 코팅된 것인,
    리튬 이차 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고분자 필름은,
    폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyehylene terephthalate, PET), 폴리메틸메타아크릴레이트(Polymethyl methacrylate, PMMA),폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol, PVA),셀룰로오즈(Cellulose),폴리비닐클로라이드(Polyvinyl chloride,PVC),폴리스티렌(Polystylene,PS),폴리카보네이트(Polycarbonate,PC),폴리아마이드(Polyamide,PA),폴리올레핀계인 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌(Polypropylene,PP 또는 Polyethylene, PE,), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylene naphthalate,PEN),폴리에테르술폰(Polyethersulfone,PES), 액정고분자수지(Liquid Crystal Polymer, LCP), 및 나일론(Nylon) 중에서 선택되는 고분자 중 1 종 이상으로 이루어진 것인,
    리튬 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극 집전체 및 상기 제2 양극 집전체 사이에 위치하는, 밀봉 층;을 더 포함하고,
    상기 밀봉 층은, 상기 리튬 이차 전지의 외부로부터, 제1 양극 활물질 층, 상기 제1 분리막, 상기 음극 층, 상기 제2 분리막, 및 상기 제2 양극 활물질 층을 밀봉하는 것인,
    리튬 이차 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 밀봉 층은,
    에틸렌 바이닐 아세테이트(Ethylene Vinyl Acetate, EVA), 폴리우레탄(Polyurethane,PU), 폴리아마이드(Polyamide,PA), 및 폴리올레핀계 고분자 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 밀봉재로 이루어진 것인,
    리튬 이차 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 음극 층은,
    플라스틱 기판; 및
    상기 플라스틱 기판의 일면 또는 양면에 위치하는 음극 집전체 판;을 포함하는 것인,
    리튬 이차 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 플라스틱 기판은,
    폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyehylene terephthalate, PET), 폴리우레탄(Polyurethane,PU), 폴리아마이드(Polyamide,PA), 또는 폴리올레핀계인 폴리프로필렌(Polypropylene,PP) 또는 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 중에서 선택되는 고분자 중 1 종 이상으로 이루어진 것인,
    리튬 이차 전지.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 음극 집전체 판은,
    연성 동박 적층 필름(Flexible Copper Clad Laminate) 구조의 구리 포일(Cu foil)인 것인,
    리튬 이차 전지.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 음극 집전체 판은,
    상기 플라스틱 기판의 일면에 위치하는, 제1 음극 집전체 판; 및
    상기 플라스틱 기판의 다른 일면에 위치하는, 제2 음극 집전체 판;을 포함하는,
    리튬 이차 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 음극 집전체 판 및 상기 제2 음극 집전체 판을 연결하는 비아 홀(via hole);을 더 포함하는,
    리튬 이차 전지.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 음극 층은,
    상기 음극 집전체 판에 위치하는 음극 활물질 층;을 더 포함하는 것인,
    리튬 이차 전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 음극 활물질 층은,
    리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질, 및 전이 금속 산화물 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 음극 활물질을 포함하는 것인,
    리튬 이차 전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양극 활물질 층 및 상기 제2 양극 활물질 층은 각각,
    층상계 금속 산화물인 양극 활물질을 포함하는 것인,
    리튬 이차 전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 층상계 금속 산화물인 양극 활물질은,
    하기 화학식 1로 표시되는 것인,
    리튬 이차 전지.
    [화학식 1] XaA1 - bRbD2
    (상기 화학식 1에서, X는 Li 및 Na에서 선택되는 하나이상의 원소이고, A는 Ni, Co, Mn 및 V 중에서 선택되는 하나 이상의 원소이고, R은 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, Zr, Ti 및 희토류 원소 중에서 선택되는 하나 이상의 원소이고, D는 O, F, S, 및 P 중에서 선택되는 하나 이상의 원소이고, a는 0 ≤ a ≤ 2.4를 만족하는 것이고, b는 0 ≤ b ≤ 0.5를 만족하는 것임)
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막은 각각,
    폴리에터(polyether), 폴리에틸렌(Polyethylene,PE),폴리프로필렌(Polypropylene,PP), 및 부직포 중에서 중에서 선택되는 고분자 중 1 종 이상으로 이루어진 것인,
    리튬 이차 전지.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막은 각각,
    액체 전해질이 함침된 것인,
    리튬 이차 전지.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 액체 전해질은,
    카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계, 및 비양성자성 용매 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 비수성 유기 용매; 및
    리튬염;을 포함하는 것인,
    리튬 이차 전지.
  20. 제1항에 있어서,
    고체 전해질, 고분자 전해질, 젤 전해질, 또는 이들의 조합인 형태의 전해질 층;을 더 포함하고,
    상기 전해질 층은, 상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막 중 적어도 하나 이상의 분리막과 접하는 것인,
    리튬 이차 전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114026722A (zh) * 2020-06-30 2022-02-08 宁德新能源科技有限公司 隔板、包含该隔板的电化学装置及电子装置
WO2023022542A1 (ko) * 2021-08-18 2023-02-23 주식회사 엘지에너지솔루션 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지

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