KR101839754B1 - Multi-Layered Electrode of Different Porosity and Method for Preparation of the Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 외부 도선과 전극 활물질 사이에서 전자를 전달하는 전극 집전체, 및 상기 전극 집전체 상에 순차적으로 도포되어 있는 3층 이상의 전극 합제층들을 포함하고, 상기 전극 합제층들은 각각 전극 활물질 및 도전재를 포함하며, 상기 전극 합제층들의 형성 방향을 기준으로, 상호 인접한 전극 합제층들 중에서, 상대적으로 집전체에 가까운 쪽에 위치하는 전극 합제층의 공극률(porosity)이 상대적으로 집전체에서 먼 쪽에 위치하는 전극 합제층의 공극률보다 작은 것을 특징으로 하는 다층 구조 전극 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention relates to an electrode assembly comprising an electrode collector for transferring electrons between an external conductor and an electrode active material and three or more electrode mixture layers sequentially coated on the electrode current collector, Wherein a porosity of the electrode material mixture layer located relatively closer to the current collector among the mutually adjacent electrode material mixture layers with respect to the forming direction of the electrode material mixture layers is relatively far from the current collector Wherein the electrode mixture layer has a porosity lower than that of the electrode mixture layer and a method of manufacturing the same.
Description
본 발명은 서로 다른 공극률(porosity)을 가지는 다층 구조의 전극에 관한 것으로서, 상세하게는 집전체에 가까운 쪽에 위치하는 전극 합제층일수록 낮은 공극률을 가지는 것을 특징으로 하는 다층 구조 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-layered electrode having different porosities, and more particularly to a multi-layered electrode characterized by having a lower porosity as the electrode material mixture layer nearer the current collector and a method of manufacturing the same will be.
최근, 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.In recent years, the demand for environmentally friendly alternative energy sources has become an indispensable factor for the future, as the increase in the price of energy sources due to depletion of fossil fuels and the interest in environmental pollution are amplified. Various researches on power generation technologies such as nuclear power, solar power, wind power, and tidal power have been continuing, and electric power storage devices for more efficient use of such generated energy have also been attracting much attention.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.Particularly, as technology development and demand for mobile devices are increasing, the demand for batteries as energy sources is rapidly increasing, and accordingly, a lot of researches on batteries that can meet various demands have been conducted.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.Typically, in terms of the shape of a battery, there is a high demand for a prismatic secondary battery and a pouch-type secondary battery which can be applied to products such as mobile phones with a small thickness, and has advantages such as high energy density, discharge voltage, There is a high demand for lithium secondary batteries such as lithium ion batteries and lithium ion polymer batteries.
리튬 이차전지는 전극 집전체 상에 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막이 개재된 전극조립체에 리튬염을 포함하는 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다.The lithium secondary battery has a structure in which an electrolyte including a lithium salt is impregnated in an electrode assembly having a porous separator interposed between a positive electrode and a negative electrode coated with an active material on an electrode current collector.
상기 전극은 활물질, 바인더, 도전재가 용매에 분산되어 있는 슬러리를 집전체에 도포하고 건조 및 프레싱(pressing)하여 제조된다. 일반적으로, 상기 과정은 반복되지 않는 단일과정으로, 프레싱을 한번만 하여 제조되는 전극은 압력 및 바인더, 도전재의 비중 등에 의해 집전체에서 가장 가까운 쪽의 공극률이 가장 높고, 집전체에서 가장 먼 쪽의 공극률이 가장 낮은 구성을 갖는다.The electrode is prepared by applying a slurry in which an active material, a binder, and a conductive material are dispersed in a solvent to a current collector, followed by drying and pressing. Generally, the above process is a single process which is not repeated. The electrode manufactured by pressing only once has the highest porosity at the side closest to the current collector due to the pressure, the specific gravity of the binder and the conductive material, Has the lowest configuration.
구체적으로, 슬러리를 건조하게 되면 용매를 머금은 바인더에서 용매가 날아감으로써 바인더가 집전체에서 전극 표면 방향으로 뜨게 된다. 이렇게 바인더가 뜨게 되면 바인더와 결합되어 있는 가벼운 도전재도 같이 뜨게 되어 전극에서의 도전재와 바인더의 분포가 두께 방향으로 증가하게 된다. 즉, 집전체에서 멀수록 전기 전도도는 증가하나, 집전체로 가까워질수록 전극의 전기 전도도가 낮아져, 전지특성이 저하되는 문제점이 발생한다. Specifically, when the slurry is dried, the solvent is blown off from the binder in which the solvent is placed, whereby the binder floats toward the surface of the electrode in the current collector. When the binder is floated, the lightweight conductive material combined with the binder also floats together, and the distribution of the conductive material and the binder in the electrode increases in the thickness direction. That is, the electric conductivity increases with distance from the current collector, but the electric conductivity of the electrode is lowered as the current collector approaches the collector, thereby deteriorating the battery characteristics.
또한 상기와 같은 이유로, 전극 아랫부분에서 바인더의 분포가 적어져, 접착력이 감소하는바, 전해액 함침 후 전극이 떨어지는 공정성의 문제 및 성능 퇴화가 발생한다. 이러한 현상들은 C-rate가 높아질수록 극대화되어, 중대형 이차전지 팩을 제조하는 경우 더욱 문제된다.In addition, due to the above-mentioned reason, the distribution of the binder is decreased at the bottom portion of the electrode, and the adhesive force is decreased. As a result, the problem of the fairness of dropping of the electrode after electrolyte impregnation and performance deterioration occur. These phenomena are maximized as the C-rate becomes higher, which is more problematic when a middle- or large-sized secondary battery pack is manufactured.
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.Therefore, there is a great need for a technology that can fundamentally solve these problems.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems of the prior art and the technical problems required from the past.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 외부 도선과 전극 활물질 사이에서 전자를 전달하는 전극 집전체, 및 상기 전극 집전체 상에 순차적으로 도포되어 있는 3층 이상의 전극 합제층들을 포함하고, 상기 전극 합제층들은 각각 전극 활물질을 포함하며, 상기 전극 합제층들의 형성 방향을 기준으로, 상호 인접한 전극 합제층들 중에서, 상대적으로 집전체에 가까운 쪽에 위치하는 전극 합제층의 공극률(porosity)이 상대적으로 집전체에서 먼 쪽에 위치하는 전극 합제층의 공극률보다 작은 다층 구조 전극의 경우, 집전체와 가까운 전극층에서의 도전재 및 바인더가 조밀하게 분포하기 때문에 접착력이 향상되고, 이에 따라 충방전에 따른 부피 팽창 수축에도 전극이 탈리되지 않는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventors of the present application have conducted intensive research and various experiments, and have found that, as will be described later, an electrode collector for transferring electrons between an outer conductor and an electrode active material, and an electrode collector Wherein the electrode assembly layers include electrode active materials, and the electrode assembly layers are formed on the electrode assembly layers adjacent to each other with respect to a direction in which the electrode assembly layers are formed, In the case of a multi-layered electrode in which the porosity of the mixed layer is relatively smaller than the porosity of the electrode mixture layer located farther from the current collector, the conductive material and the binder in the electrode layer close to the current collector are densely distributed, Thus, it was confirmed that the electrode did not desorb even in the volume expansion contraction due to charge / discharge, Leading to the completion of the person.
본 발명은 외부 도선과 전극 활물질 사이에서 전자를 전달하는 전극 집전체, 및 상기 전극 집전체 상에 순차적으로 도포되어 있는 3층 이상의 전극 합제층들을 포함하고,The present invention relates to an electrode collector for transferring electrons between an external conductor and an electrode active material, and electrode mixture layers of three or more layers sequentially coated on the electrode current collector,
상기 전극 합제층들은 각각 전극 활물질을 포함하며, Wherein the electrode mixture layers each comprise an electrode active material,
상기 전극 합제층들의 형성 방향을 기준으로, 상호 인접한 전극 합제층들 중에서, 상대적으로 집전체에 가까운 쪽에 위치하는 전극 합제층의 공극률(porosity)이 상대적으로 집전체에서 먼 쪽에 위치하는 전극 합제층의 공극률보다 작은 것을 특징으로 하는 다층 구조 전극을 제공한다.The electrode assembly layer having a porosity of the electrode assembly layer positioned relatively closer to the current collector than that of the electrode assembly layers adjacent to the current collector, And the porosity is smaller than the porosity.
일반적으로, 프레싱(pressing)을 하여 하나의 층으로 제조된 전극은 집전체에서 가장 가까운 쪽의 전극 합제층 공극률이 가장 높고, 집전체에서 가장 먼 쪽의 전극 합제층 공극률이 가장 낮은 바, 집전체로부터 가까운 부분일수록, 낮은 전기 전도도 및 결착력을 갖는다.Generally, the electrodes made of one layer by pressing are most likely to have the highest porosity of the electrode mixture layer nearest to the current collector and the lowest porosity of the electrode mixture layer farthest from the current collector, Has a lower electrical conductivity and adhesion force.
이러한 현상은 활물질의 도전성이 떨어질수록, 도전재를 적게 사용할수록 극대화되므로 고용량 전지에서 특히 문제되는데, 상기와 같이 집전체에서 가까운 전극 합제층의 공극률이 낮은 다층 구조를 갖는 경우, 비교적 균일한 도전성 및 높은 결착력을 확보할 수 있다.This phenomenon is particularly problematic in a high-capacity battery because the conductivity of the active material is lowered and the conductive material is less used. Therefore, in the case of a multi-layer structure having a low porosity of the electrode material mixture layer close to the current collector as described above, A high binding force can be secured.
즉, 집전체에 가까운 쪽의 전극 합제층의 경우, 공극률이 작아서 활물질 또는 도전재 밀도가 높으며, 따라서 전기 전도도가 우수하다.That is, in the case of the electrode material mixture layer near the current collector, the porosity is small and the density of the active material or the conductive material is high, and therefore, the electric conductivity is excellent.
그러나, 공극률이 낮은 전극 합제층은 충방전과정에서 팽창 및 수축시의 부피 차이가 클 수 있고, 이로 인한 쇼트 및 폭발의 위험성이 있는 바, 전극 합제는 평균적으로 소정의 공극률을 확보해야 한다.However, the electrode mixture layer having a low porosity may have a large difference in volume during expansion and contraction during charging and discharging, and there is a risk of short-circuiting and explosion thereof. As a result, the electrode mixture needs to have a predetermined porosity on average.
따라서, 집전체에서 가까운 쪽에 위치한 전극 합제층의 공극률을 낮추어 높은 전기 전도도를 확보함과 동시에, 먼 쪽에 위치한 전극 합제층일수록, 공극률을 높임으로써 충방전과정에서의 부피 팽창 및 수축 차이를 줄여 안전성을 확보할 수 있다.Accordingly, it is possible to secure a high electrical conductivity by lowering the porosity of the electrode material mixture layer located near the current collector and to increase the porosity of the electrode mixture layer located farther away, thereby reducing the volume expansion and shrinkage difference during charging and discharging, .
또한, 집전체에서 먼 전극 합제층은 공극률이 커서 전해액과 맞닿는 표면적이 크고, 이로 인하여 이온 전도도가 향상될 수 있으며, 상대적으로 성긴 구조로 인하여 전극 내부에서 발생하는 가스가 외부로 잘 빠져나갈 수 있는 바, 전지 특성을 향상시킬 수 있다.Further, the electrode mixture layer far from the current collector has a large porosity and thus has a large surface area in contact with the electrolyte. As a result, the ion conductivity can be improved, and the gas generated inside the electrode can escape to the outside owing to the relatively coarse structure Bar and battery characteristics can be improved.
상기 3층 이상의 전극 합제층은 공극률이 서로 다른 층들이 불연속적으로 접하는 구조이다. 하나의 구체적인 예에서 상기 다층 구조 전극은 3층 이상 내지 5층 이하일 수 있다.The three-layered electrode mix layer is a structure in which layers having different porosity are discontinuously contacted. In one specific example, the multi-layered electrode may be three or more layers or five layers or less.
상기 범위를 벗어나 상기 다층 구조 전극의 전극 합제층이 6층 이상인 경우, 공정이 복잡해지고, 단위시간당 생산량이 감소하며, 결과적으로 제조 비용이 증가하는 문제점이 있다. 또한, 상기 다층 구조 전극의 전극 합제층이 1층인 경우, 단층 구조로 종래 기술과 다를 바 없고, 2층으로 구성된 전극 구조에서는 집전체에서 가까운 부분에 위치한 전극 합제층과 먼 쪽에 위치한 전극 합제층으로만 나뉘어져, 두 전극 합제층들의 공극률 차이가 크지 않은 이상, 본 발명이 목적하는 효과를 달성하기 어렵다. 상호 인접한 전극 합제층들의 공극률 차이가 큰 경우 발생하는 문제점에 관하여는 이하에서 상세히 설명한다.If the electrode mix layer of the multi-layer structure electrode is out of the above range, the process becomes complicated and the production amount per unit time decreases, resulting in an increase in manufacturing cost. When the electrode assembly layer of the multi-layer structure electrode has one layer, it is a single layer structure and is not different from the prior art. In the electrode structure composed of two layers, the electrode assembly layer located near the current collector and the electrode mixture layer located farther It is difficult to achieve the desired effect of the present invention unless the difference in porosity between the two electrode mix layers is large. Problems that arise when the difference in porosity of the electrode mixture layers adjacent to each other is great will be described in detail below.
하나의 구체적인 예에서, 상기 상호 인접한 전극 합제층들의 공극률의 차이는 0.5% 내지 15% 범위 내인 것이 바람직하고, 상세하게는 1 내지 12%, 더욱 상세하게는 2% 내지 10% 범위 내인 것이 더욱 바람직하다.In one specific example, the difference in porosity of the mutually adjacent electrode material mixture layers is preferably in the range of 0.5% to 15%, more preferably in the range of 1 to 12%, more particularly in the range of 2% to 10% Do.
상기 범위를 벗어나 상호 인접한 전극 합제층들의 공극률의 차이가 0.5% 미만인 경우, 전극 합제층들 간의 차이가 미미하여, 단층 구조의 전극과 거의 유사한 문제점을 내포하고 있다.If the difference in the porosity of the electrode mixture layers adjacent to each other is out of the above range, the difference between the electrode mixture layers is insignificant, which is almost the same as that of the single layer electrode.
반면에, 상기 범위를 벗어나 상호 인접한 전극 합제층들의 공극률의 차이가 15%를 초과하는 경우, 상호 인접한 층간의 도전성의 차이가 큰 바, 층간 계면 장애를 일으키고, 도전성이 상대적으로 큰 전극 합제층에만 전류가 집적되어, 도전성이 상대적으로 작은 전극 전극 합제층은 활용되지 못하거나, 병목현상에 의해 전지 특성을 악화시키는 바, 바람직하지 않다.On the other hand, if the difference in the porosity of the adjacent electrode mixture layers is out of the above range, the difference in conductivity between the adjacent layers is large, resulting in interlayer interfacial disorder, and only the electrode mixture layer having a relatively high conductivity The current is integrated and the electrode electrode material mixture layer having a relatively small conductivity is not utilized or the cell characteristics are deteriorated by the bottleneck phenomenon.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 집전체에 직접 접하는 최내층 전극 합제층의 공극률은, 상기 최내층 전극 합제층에 인접한 전극 합제층의 공극률보다 작은 범위에서, 10% 내지 50% 범위 내인 것이 바람직하고, 상세하게는 15% 내지 45%인 것이 더욱 바람직하다.In one specific example, the porosity of the innermost layer electrode material mixture layer directly contacting the electrode current collector is preferably within a range of 10% to 50% in a range smaller than the porosity of the electrode material mixture layer adjacent to the innermost layer electrode material mixture layer , More preferably from 15% to 45%.
상기 공극률이 10% 미만인 경우, 구조적으로 너무 조밀하여 전해액이 전극의 내부까지 함침되기가 어려워 충방전 용량 및 기타 전기화학적 특성이 저하될 수 있고, 프레싱 공정상의 한계로 상기 공극률은 10% 미만까지 도달하기 어렵다. 반면에, 상기 공극률이 50%를 초과하는 경우, 전자 전도도가 저하되어 전자 통로 역할을 원활하게 수행하지 못하고, 집전체와의 접착력이 떨어지게 되므로 바람직하지 않다.If the porosity is less than 10%, it is structurally very dense and it is difficult to impregnate the electrolyte into the inside of the electrode, so that the charge / discharge capacity and other electrochemical characteristics may be deteriorated, and the porosity reaches to less than 10% It is difficult to do. On the other hand, when the porosity exceeds 50%, the electronic conductivity is lowered and the electron path can not be performed smoothly, and the adhesive force with the current collector is lowered.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 전극 합제층들 중에서 전극 집전체로부터 가장 먼쪽에 위치하는 최외층 전극 합제층의 공극률은, 상기 최외층 전극 합제층에 인접한 전극 합제층의 공극률보다 큰 범위에서, 15% 내지 55% 범위 내인 것이 바람직하고, 상세하게는 20% 내지 50%인 것이 더욱 바람직하다.In another specific example, the porosity of the outermost electrode composite material layer located farthest from the electrode collector in the electrode material mixture layers is 15% or more in a range larger than the porosity of the electrode material mixture layer adjacent to the outermost electrode composite material layer, To 55%, and more preferably 20% to 50%.
상기 범위를 벗어나, 최외층 전극 합제층의 공극률이 15% 미만인 경우, 전해액의 함침성이 저하되어 충방전 용량 및 기타 전기화학적 특성이 저하될 수 있으므로 바람직하지 않다. 한편, 프레싱 공정을 수행하기 이전의 전극 합제층은 공극률이 60%를 초과하지 않는 것이 일반적이며, 최외층 전극 합제층의 공극률이 55%를 초과하는 경우, 전자 전도도가 저하되어 전자 통로 역할을 원활하게 수행하지 못하고, 소망하는 용량을 확보하기 위하여 결과적으로 전극의 두께가 증가하게 되므로 바람직하지 않다.If the porosity of the outermost electrode composite material layer is less than 15%, the impregnation property of the electrolyte deteriorates and the charge / discharge capacity and other electrochemical characteristics may deteriorate. On the other hand, the electrode mixture layer prior to the pressing process generally has a porosity of not more than 60%, and when the porosity of the outermost layer electrode mixture layer exceeds 55%, the electron conductivity lowers, And the thickness of the electrode is increased as a result of securing a desired capacitance, which is not preferable.
상기 상호 인접한 전극 합제층들은 서로 일부 또는 전부가 혼합되어 있을 수도 있고, 계면에서 서로 혼합되지 않고 경계면을 이루고 있을 수도 있으나, 층간 공극률 차이를 유지할 수 있도록, 서로 경계면을 이루고 있는 것이 바람직하다. 그러나, 이와 같이 경계면을 이루고 있는 경우에도, 병목현상 및 계면 장애를 방지하기 위해, 상호 인접한 층간의 공극률 차이는 앞서 설명한 범위를 초과하지 않는 것이 바람직하다.The mutually adjacent electrode material mixture layers may be partially or wholly mixed with each other or may form an interface without being mixed with each other at the interface, but it is preferable that the electrode mixture layers form an interface with each other so as to maintain the interlayer porosity difference. However, even when the interface is formed in this way, it is preferable that the difference in porosity between mutually adjacent layers does not exceed the range described above in order to prevent bottleneck phenomenon and interfacial disorder.
상기 3층 이상의 전극 합제층들의 두께는 서로 동일할 수도 있고 서로 상이할 수도 있다. 이때, 상기 두께는 프레스 이후의 두께를 의미한다. 상기 전극 합제층들의 두께가 서로 동일한 경우, 프레스 시간 및 압력을 설계하기 용이하고, 상기 전극 합제층들의 두께가 서로 상이한 경우, 전극 활물질, 도전재, 및 바인더의 종류에 따라 집전체에서 가까운, 또는 먼 부분에 위치하는 전극 합제층의 두께를 상대적으로 두껍게, 또는 얇게 설계할 수 있다.The thickness of the three or more electrode mixture layers may be the same or different from each other. At this time, the thickness means the thickness after pressing. When the thicknesses of the electrode mixture layers are equal to each other, it is easy to design the press time and pressure. When the thicknesses of the electrode mixture layers are different from each other, the electrode mixture layers are close to the current collector or depending on the kind of the electrode active material, It is possible to design the thickness of the electrode material mixture layer located at a distant portion to be relatively thick or thin.
하나의 구체적인 예에서, 상기 다층 구조 전극은 양극 활물질을 포함하는 양극일 수도 있고, 음극 활물질을 포함하는 음극일 수 있으며, 양극 및 음극 모두 다층 구조 전극일 수 있다. 구체적으로, 양극 활물질의 전기 전도도가 음극 활물질의 전기 전도도보다 떨어지는 것이 일반적이므로, 본 발명에 따른 효과를 극대화할 수 있도록, 상기 다층 구조 전극은 양극일 수 있다.In one specific example, the multi-layered electrode may be a cathode including a cathode active material, a cathode including a cathode active material, and both the anode and the cathode may be a multi-layered electrode. Specifically, since the electric conductivity of the cathode active material is generally lower than the electric conductivity of the anode active material, the multi-layered electrode may be an anode so as to maximize the effects of the present invention.
상기 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱(pressing)하는 과정을 반복하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.The positive electrode is prepared by applying a mixture of a positive electrode active material, a conductive material and a binder on a positive electrode current collector, followed by drying and pressing. If necessary, a filler may be further added to the mixture.
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. The cathode current collector generally has a thickness of 3 to 500 mu m. Such a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery. Examples of the positive electrode current collector include stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, aluminum or stainless steel A surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like may be used. The current collector may have fine irregularities on the surface thereof to increase the adhesive force of the cathode active material, and various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric are possible.
상기 양극 활물질은 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; LiNixMn2-xO4로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The cathode active material may be a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a compound substituted with one or more transition metals; Lithium manganese oxides such as Li 1 + x Mn 2 -x O 4 (where x is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 and the like; Lithium copper oxide (Li 2 CuO 2 ); Vanadium oxides such as LiV 3 O 8 , LiFe 3 O 4 , V 2 O 5 and Cu 2 V 2 O 7 ; A Ni-site type lithium nickel oxide expressed by the formula LiNi 1-x M x O 2 (where M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga and x = 0.01 to 0.3); Formula LiMn 2-x M x O 2 ( where, M = Co, Ni, Fe , Cr, and Zn, or Ta, x = 0.01 ~ 0.1 Im) or Li 2 Mn 3 MO 8 (where, M = Fe, Co, Ni, Cu, or Zn); A lithium manganese composite oxide having a spinel structure represented by LiNi x Mn 2-x O 4 ; LiMn 2 O 4 in which a part of Li in the formula is substituted with an alkaline earth metal ion; Disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 , and the like. However, the present invention is not limited to these.
반면에, 상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하는 과정을 반복하여 제조되며, 필요에 따라 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.On the other hand, the negative electrode is manufactured by repeating the process of applying, drying and pressing the negative electrode active material on the negative electrode current collector, and may optionally further include a conductive material, a binder, a filler, and the like.
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.The negative electrode current collector is generally made to have a thickness of 3 to 500 mu m. Such an anode current collector is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing chemical changes in the battery, and examples of the anode current collector include copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, a surface of copper or stainless steel A surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like, an aluminum-cadmium alloy, or the like can be used. In addition, like the positive electrode collector, fine unevenness can be formed on the surface to enhance the bonding force of the negative electrode active material, and it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams and nonwoven fabrics.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 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 재료; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물 등을 사용할 수 있다.The negative electrode active material may include, for example, carbon such as non-graphitized carbon or graphite carbon; Li x Fe 2 O 3 (0≤x≤1 ), Li x WO 2 (0≤x≤1), Sn x Me 1-x Me 'y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me' : Metal complex oxides such as Al, B, P, Si, Group 1, Group 2, Group 3 elements of the periodic table, Halogen, 0 < x < Lithium metal; Lithium alloy; Silicon-based alloys; Tin alloy; SnO, SnO 2, PbO, PbO 2, Pb 2 O 3, Pb 3 O 4, Sb 2 O 3, Sb 2 O 4, Sb 2 O 5, GeO, GeO 2, Bi 2 O 3, Bi 2 O 4, and Bi 2 O 5 ; Conductive polymers such as polyacetylene; Li-Co-Ni-based materials; Titanium oxide; Lithium titanium oxide and the like can be used.
상기 3층 이상의 전극 합제층들에 포함되는 전극 활물질들의 종류는 서로 동일할 수 있다. 즉, 다층 구조 양극 및/또는 다층 구조 음극의 제조공정 및 제조비용을 저감시킬 수 있도록, 동일한 종류의 양극 활물질 및/또는 음극 활물질을 사용할 수 있다.The types of the electrode active materials included in the three or more electrode mixture layers may be the same. That is, the same kind of positive electrode active material and / or negative electrode active material can be used so as to reduce manufacturing process and manufacturing cost of the multi-layered positive electrode and / or the multi-layered negative electrode.
반대로, 상기 다층 구조 전극의 전극 합제층들 중에서 둘 이상의 전극 합제층들에 포함되는 전극 활물질들의 종류는 서로 상이할 수 있다. 본 발명에 따른 다층 구조 전극은 공극률에 차이를 두기 위한 방법으로, 이후 설명하는 것과 같이, 서로 다른 압력으로 프레싱하는 방법을 제시하고 있으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니며, 서로 다른 종류의 양극 활물질 및/또는 음극 활물질을 사용하여 공극률에 차이를 둘 수 있다.Conversely, among the electrode mixture layers of the multi-layered electrode, the types of the electrode active materials included in the two or more electrode mixture layers may be different from each other. The multi-layer structure electrode according to the present invention is a method for differentiating porosity, and as described below, a method of pressing at different pressures is proposed, but the present invention is not limited thereto, and different types of cathode active materials and / Alternatively, the porosity can be varied by using the negative electrode active material.
상기 전극 합제층들에는 도전재가 포함되어 있을 수도 있고, 포함되어 있지 않을 수도 있으나, 일반적으로 양극 활물질을 포함하는 양극은 도전성이 떨어지므로, 도전재를 포함하는 것이 바람직하다.The electrode material mixture layers may or may not include a conductive material, but in general, the anode including the cathode active material is poor in conductivity, and therefore, it is preferable to include a conductive material.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 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 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The conductive material is usually added in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the mixture including the cathode active material. Such a conductive material is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing chemical changes in the battery, for example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives, and the like may be used, but the present invention is not limited thereto.
또한, 상기 전극 합제층들에는, 전극 활물질과 도전재 등을 조력하는 바인더가 포함되어 있을 수 있다.In addition, the electrode mixture layers may include a binder for assisting the electrode active material, the conductive material, and the like.
상기 바인더는 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 공중합체 등을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The binder is usually added in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the mixture including the cathode active material. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers, and the like.
하나의 구체적인 예에서, 상기 상호 인접한 전극 합제층들 각각에 포함되어 있는 바인더는, 집전체로 가까워질수록, 조밀하게 분포되어 있을 수 있다. 집전체로부터 가까운 전극 합제층일수록, 상대적으로 공극률이 낮고, 공극률이 낮은 전극 합제층은 두께방향으로 바인더가 조밀하게 분포하는바, 집전체와의 접착력이 향상된다. 따라서 집전체에서 가까운 부분에 위치한 전극 합제층은 조밀하게 분포된 바인더에 의해 집전체로부터 탈리를 방지하고 안전성을 확보할 수 있다.In one specific example, the binder contained in each of the mutually adjacent electrode material mixture layers may be densely distributed as they approach the current collector. The electrode mixture layer having a relatively low porosity and a low porosity as the electrode mixture layer closer to the current collector is more densely distributed in the thickness direction, so that the adhesion with the current collector is improved. Accordingly, the electrode mixture layer located near the current collector can be prevented from being separated from the current collector by the densely distributed binder, and safety can be ensured.
또한, 상기 전극 합제층들에는, 전극의 팽창을 억제하는 충진제를 더 포함할 수 있으며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체, 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
In addition, the electrode material mixture layers may further include a filler that inhibits the expansion of the electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery. For example, polyethylene, polypropylene , Fiberglass materials such as glass fibers and carbon fibers are used.
본 발명은 상기 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극조립체에 리튬염 함유 전해액이 함침되어 있는 구조로 이루어진 이차전지를 제공한다.The present invention provides a secondary battery having a structure in which a lithium salt-containing electrolyte is impregnated in an electrode assembly having a separator interposed between the positive and negative electrodes.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 30 ㎛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.The separation membrane is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used. The pore diameter of the separator is generally 0.01 to 30 μm and the thickness is generally 5 to 300 μm. Such separation membranes include, for example, olefinic polymers such as polypropylene, which are chemically resistant and hydrophobic; A sheet or nonwoven fabric made of glass fiber, polyethylene or the like is used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as an electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separation membrane.
상기 리튬염 함유 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The electrolyte solution containing the lithium salt is composed of an electrolyte solution and a lithium salt. The electrolyte solution may be a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, or an inorganic solid electrolyte, but is not limited thereto.
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.Examples of the non-aqueous organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma -Butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane , Acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, triester phosphate, trimethoxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate Nonionic organic solvents such as tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyrophosphate, ethyl propionate and the like can be used.
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.Examples of the organic solid electrolyte include a polymer electrolyte such as a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, an agitation lysine, a polyester sulfide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene fluoride, A polymer containing an ionic dissociation group and the like may be used.
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.Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides and sulfates of Li such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH and Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 can be used.
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.The lithium salt is a material that is readily soluble in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4, LiBF 4, LiB 10 Cl 10, LiPF 6, LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide.
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.For the purpose of improving the charge / discharge characteristics and the flame retardancy, the electrolytic solution is preferably mixed with an organic solvent such as pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, glyme, Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxyethanol, . In some cases, halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further added to impart nonflammability. In order to improve the high-temperature storage characteristics, carbon dioxide gas may be further added. FEC (Fluoro-Ethylene Carbonate, PRS (Propene sultone), and the like.
하나의 바람직한 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.
In a preferred embodiment, LiPF 6, LiClO 4, LiBF 4, LiN (SO 2 CF 3) 2 , such as a lithium salt, a highly dielectric solvent of DEC, DMC or EMC Fig solvent cyclic carbonate and a low viscosity of the EC or PC of And then adding it to a mixed solvent of linear carbonate to prepare a lithium salt-containing non-aqueous electrolyte.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공하고, 상기 전지모듈을 전원으로 사용하는 디바이스를 제공한다.The present invention also provides a battery module including the secondary battery as a unit battery, and provides the device using the battery module as a power source.
상기 디바이스의 바람직한 예로는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 노트북, 스마트폰, 태블릿, 웨어러블 기기, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Preferable examples of the device include, but are not limited to, an electric car, a hybrid electric vehicle, a notebook, a smart phone, a tablet, a wearable device, a plug-in hybrid electric vehicle, or a power storage system.
상기와 같은 디바이스들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
Since such devices are well known in the art, a detailed description thereof will be omitted herein.
본 발명은, 외부 도선과 전극 활물질 사이에서 전자를 전달하는 전극 집전체, 및 상기 전극 집전체 상에 순차적으로 도포되어 있는 3층 이상의 전극 합제층들을 포함하고, 상기 전극 합제층들은 각각 전극 활물질 및 도전재를 포함하며, 상기 전극 합제층들의 형성 방향을 기준으로, 상호 인접한 전극 합제층들 중에서, 상대적으로 집전체에 가까운 쪽에 위치하는 전극 합제층의 공극률이 상대적으로 집전체에서 먼 쪽에 위치하는 전극 합제층의 공극률보다 작은 다층 구조 전극을 제조하는 방법으로서,The present invention relates to an electrode assembly comprising an electrode collector for transferring electrons between an external conductor and an electrode active material and three or more electrode mixture layers sequentially coated on the electrode current collector, The electrode mixture layer having a porosity of the electrode material mixture layer located relatively closer to the current collector is located farther from the current collector than the electrode mixture layer adjacent to the current collector, A method for producing a multi-layered electrode having a porosity lower than that of a mixed layer,
(a) 전극 슬러리를 준비하는 과정; (a) preparing an electrode slurry;
(b) 전극 집전체에 전극 상기 과정(a)에서 제조된 전극 슬러리를 1차 코팅하고 건조 후 프레싱(pressing)하는 과정;(b) Electrode on the electrode current collector The first step of coating the electrode slurry prepared in the step (a), drying and pressing the electrode slurry;
(c) 상기 과정(b)에서 제조된 전극에 전극 슬러리를 2차 코팅하고 건조 후 1차 대비 작은 압력으로 프레싱하는 과정; 및(c) secondarily coating the electrode slurry on the electrode prepared in the step (b), drying and pressing the electrode slurry with a pressure smaller than the first pressure; And
(d) 상기 과정(c)에서 제조된 전극에 전극 슬러리를 3차 코팅하고 건조 후 2차 대비 작은 압력으로 프레싱하는 과정;(d) thirdly coating the electrode slurry on the electrode prepared in the step (c), drying and pressing the electrode slurry with a pressure smaller than that of the second electrode;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method of manufacturing an electrode.
일반적으로 전극 합제를 코팅하고 건조 후 프레싱하는 과정에서 1회 작업으로 진행하는 경우, 전극의 표면 부분이 압력을 많이 받고 집전체 쪽으로 갈수록 압력이 줄어드는 현상으로 인하여 집전체에서 가까운 전극 합제층의 공극률이 집전체에서 먼 전극 합제층의 공극률보다 오히려 큰 전극이 제조된다.In general, when the electrode assembly is coated and dried and pressed, the porosity of the electrode assembly layer near the current collector decreases due to the pressure decrease due to the pressure of the surface portion of the electrode, An electrode which is larger than the porosity of the electrode mixture layer far from the current collector is produced.
상기와 같이 1차 코팅 시 압력을 2차 코팅 시 압력보다 크게 하여 다단계 코팅을 하는 경우, 집전체와 가까운 전극 합제층의 공극률을 낮게 하고, 전극 표면, 즉 집전체와 먼 전극 합제층의 공극률을 크게 할 수 있다.When the multi-layer coating is performed by increasing the pressure during the first coating as described above, the porosity of the electrode mixture layer close to the current collector is lowered and the porosity of the electrode surface, that is, Can be greatly increased.
상기 1차 코팅의 경우, 전체 전극 두께 대비 5% 내지 40% 범위 내인 것이 바람직하다. 전극 합제 전체 두께 대비 5% 미만인 경우 2차 코팅의 두께가 커서 1회 코팅과 같은 문제가 발생할 수 있고, 3층 구조를 형성하기 어려워 바람직하지 않고, 40% 초과인 경우 전극 합제의 전체의 평균 공극률 낮아져서 전해액의 전극 내부로의 함침이 용이하지 않고, 전극 합제의 팽창 수축을 수용할 수 있는 공간을 확보하기 어려워 바람직하지 않다. 상기와 같은 이유로, 상기 1차 코팅의 두께는 전체 전극 두께 대비 10% 내지 35% 범위 내인 것이 더욱 바람직하다.In the case of the primary coating, it is preferable that the thickness is in the range of 5% to 40% of the total electrode thickness. If the total thickness of the electrode mixture is less than 5%, the thickness of the secondary coating may be too large to cause problems such as a single coating, and it may be difficult to form a three-layer structure. Impregnation of the electrolyte solution into the electrode is not easy, and it is difficult to secure a space capable of accommodating the expansion and contraction of the electrode mixture, which is not preferable. For the above reasons, it is more preferable that the thickness of the primary coating is in the range of 10% to 35% of the total electrode thickness.
상기 프레싱을 가하는 압력의 크기는 소망하는 공극률을 구현하기 위한 범위에서 적절하게 선택할 수 있으며, 활물질, 도전재 등의 재료에 따라서도 달라질 수 있으므로 별도로 정의하지는 않는다.The magnitude of the pressure for applying the pressing may be appropriately selected within a range for realizing a desired porosity and may be different depending on materials such as active material and conductive material, and is not defined separately.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지용 전극은 전극 합제 층이 두께 방향을 기준으로 집전체에 가까운 부분의 전극 합제층의 공극률이 집전체에서 먼 부분에서부터 가까운 부분에의 전극 합제층의 공극률보다 작음으로써, 전해액 함침성, 이온 전도도, 전자 전도도 등이 향상되어, 이를 포함하는 이차전지의 전기화학적 성능을 향상시키는 효과가 있다.As described above, the electrode for a secondary battery according to the present invention is characterized in that the electrode mix layer has a porosity of the electrode mix layer near the current collector with respect to the thickness direction, The electrolyte impregnability, ionic conductivity, electronic conductivity and the like are improved, and the electrochemical performance of the secondary battery including the same is improved.
이하에서는, 본 발명에 따른 일부 실시예를 참조하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to some embodiments thereof, but the scope of the present invention is not limited thereto.
양극 합제의 및 리튬 이차전지의 제조Preparation of positive electrode mixture and lithium secondary battery
<실시예 1>≪ Example 1 >
양극 활물질로서 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2, 도전재로서 Super-P 65, 및 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF: KF700)를 94 : 3 : 3의 중량비로 혼합하고, 상기의 혼합물에 N-메틸 피롤리돈(NMP)을 적가하여 양극 합제를 제조하였다. 상기에서 제조된 양극 합제를 로딩량이 9 mg/cm2가 되도록 하여 알루미늄 호일에 도포하고, 120℃에서 10분 동안 건조한 후에, 공극률이 25%가 되도록 롤 프레싱(roll pressing) 하여, 1차 코팅을 실시하고, 다시 양극 합제를 로딩량이 6 mg/cm2가 되도록 하여 알루미늄 호일에 도포하고, 120℃에서 10분 동안 건조한 후에, 공극률이 30%가 되도록 롤 프레싱을 하여 2차 코팅을 실시하고, 다시 양극 합제를 로딩량이 9 mg/cm2가 되도록 하여 알루미늄 호일에 도포하고, 120℃에서 10분 동안 건조한 후에, 공극률이 35%가 되도록 롤 프레싱을 하여 3차 코팅을 실시하여 이차전지용 양극을 제조하였다.LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 as a positive electrode active material, Super-P 65 as a conductive material and polyvinylidene fluoride (PVdF: KF700) as a binder were mixed at a weight ratio of 94: 3: 3, Methylpyrrolidone (NMP) was added dropwise thereto to prepare a positive electrode mixture. The positive electrode material mixture prepared above was applied to an aluminum foil so that the loading amount was 9 mg / cm 2 , dried at 120 ° C for 10 minutes, and then roll-pressed to have a porosity of 25% The positive electrode material mixture was applied to an aluminum foil so that the loading amount was 6 mg / cm 2 , dried at 120 ° C for 10 minutes, and then subjected to roll coating so as to have a porosity of 30% The positive electrode mixture was applied to an aluminum foil so that the loading amount was 9 mg / cm 2 , dried at 120 ° C for 10 minutes, and then subjected to roll coating with a porosity of 35% to prepare a positive electrode for a secondary battery .
음극 활물질로서 인조흑연 90.25 중량%, SiO 4.75 중량%, 도전재 (Super-C65) 1.5 중량%, 바인더(SBR) 2.3 중량%, 및 증점제(CMC) 1.2 중량%를 용제인 H2O에 넣고 믹싱(mixing)하여 음극 합제를 제조하였다. 상기에서 제조된 음극 합제를 로딩량이 13.5 mg/cm2 가 되도록 하여 구리 호일에 도포하고 100℃에서 30분 동안 건조한 후에, 공극률이 30%가 되도록 롤 프레싱을 하여 이차전지용 음극을 제조하였다.Artificial graphite 90.25% by weight as a negative active material, SiO 4.75% by weight, the conductive material (Super-C65) 1.5% by weight, a binder (SBR) 2.3% by weight, and a thickener (CMC) into a 1.2% by weight in a solvent of H 2 O mix followed by mixing to prepare a negative electrode mixture. The negative electrode mix prepared above was applied to a copper foil so that the loading amount was 13.5 mg / cm 2 , dried at 100 ° C for 30 minutes, and rolled to 30% porosity to prepare a negative electrode for a secondary battery.
상기 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌 분리막을 개재한 후 EC : EMC = 1 : 2의 carbonate solvent에 첨가제 VC 1 중량%, 및 PS 1.5 중량%와 LiPF6가 1M 녹아있는 전해액을 주입하여 3 cm * 4 cm 시트형 리튬 이차전지를 제조하였다.
After the porous polyethylene separator was sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, 1% VC of the additive VC, 1.5% by weight of PS and 1 M of LiPF 6 dissolved in a carbonate solvent of EC: EMC = 1: cm sheet-type lithium secondary battery.
<비교예 1>≪ Comparative Example 1 &
알루미늄 호일 상에 양극 합제를 로딩량이 27 mg/cm2가 되도록 하여 도포하고, 공극률이 30%가 되도록 롤 프레싱하여 오직 한번의 코팅만을 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 이차전지용 양극 및 이차전지를 제조하였다.
A positive electrode mixture was applied on an aluminum foil so that the loading amount was 27 mg / cm < 2 >, and roll pressing was performed so as to have a porosity of 30% to perform only one coating. A positive electrode and a secondary battery were produced.
<비교예 2> ≪ Comparative Example 2 &
알루미늄 호일 상에 양극 합제를 로딩량이 13.5 mg/cm2가 되도록 하여 도포하고, 공극률이 25%가 되도록 롤 프레싱하여 1 차 코팅을 하고, 로딩량이 13.5 mg/cm2가 되도록 하여 도포하고, 공극률이 35%가 되도록 롤 프레싱하여 2 차 코팅을 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 이차전지용 양극 및 이차전지를 제조하였다.
The positive electrode mixture was applied on the aluminum foil so that the loading amount was 13.5 mg / cm 2 , and the primary coating was performed by roll pressing so as to have a porosity of 25%, and the coating amount was applied so that the loading amount was 13.5 mg / cm 2. Except that the secondary coating was carried out by roll pressing so as to have a thickness of 35%, thereby preparing a positive electrode and a secondary battery for a secondary battery.
음극 합제 및 이차전지의 제조Manufacture of anode mixture and secondary battery
<실시예 2>≪ Example 2 >
음극 활물질로서 천연흑연 및 SiO, 도전재로서 CNT, 바인더로서 SBR, 증점제로서 CMC를 93.5 (7/3) : 2 : 3 : 1.5의 중량비로 혼합하고, 상기의 혼합물에 H2O를 적가하여 음극 합제를 제조하였다. 상기에서 제조된 음극 합제를 로딩량이 3 mg/cm2가 되도록 하여 구리 호일에 도포하고, 100℃에서 10분 동안 건조한 후에, 공극률이 25%가 되도록 롤 프레싱(roll pressing) 하여, 1차 코팅을 실시하고, 다시 음극 합제를 로딩량이 3 mg/cm2가 되도록 하여 구리 호일에 도포하고, 100℃에서 10분 동안 건조한 후에, 공극률이 35%가 되도록 롤 프레싱을 하여 2차 코팅을 실시하고, 다시 음극 합제를 로딩량이 3 mg/cm2가 되도록 하여 구리 호일에 도포하고, 100℃에서 10분 동안 건조한 후에, 공극률이 45%가 되도록 롤 프레싱을 하여 3차 코팅을 실시하여 이차전지용 음극을 제조하였다.CNT as a conductive material, SBR as a binder, and CMC as a thickener were mixed at a weight ratio of 93.5 (7/3): 2: 3: 1.5, and H 2 O was added dropwise to the mixture, A mixture was prepared. The negative electrode mixture prepared above was applied to a copper foil with a loading amount of 3 mg / cm 2 , dried at 100 ° C for 10 minutes, and then roll-pressed to have a porosity of 25% The negative electrode material mixture was applied to a copper foil so that the loading amount was 3 mg / cm 2 , dried at 100 ° C for 10 minutes, and then subjected to secondary coating by roll pressing so as to have a porosity of 35% The negative electrode mixture was applied to a copper foil so that the loading amount was 3 mg / cm 2 , dried at 100 ° C for 10 minutes, and then subjected to roll coating and roll coating so as to have a porosity of 45% to prepare a negative electrode for a secondary battery .
양극 활물질로서 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 94 중량%, 도전재(Super-C65) 3 중량%, 바인더(PVdF) 3 중량%를 용제인 NMP에 넣고 믹싱(mixing)하여 양극 합제를 제조하였다. 상기에서 제조된 양극 합제를 로딩량이 30 mg/cm2 가 되도록 하여 알루미늄 호일에 도포하고 120℃에서 30분 동안 건조한 후에, 공극률이 30%가 되도록 롤 프레싱을 하여 이차전지용 양극을 제조하였다.94 wt% of LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 as a positive electrode active material, 3 wt% of a conductive material (Super-C65) and 3 wt% of a binder (PVdF) were mixed in NMP as a solvent and mixed to prepare a positive electrode material mixture. The positive electrode mixture prepared above was applied to an aluminum foil so that the loading amount was 30 mg / cm 2 , dried at 120 ° C for 30 minutes, and rolled to 30% porosity to prepare a positive electrode for a secondary battery.
상기 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌 분리막을 개재한 후 EC : EMC = 1 : 2의 carbonate solvent에 첨가제 VC 1 중량%, 및 PS 1.5 중량%와 LiPF6가 1M 녹아있는 전해액을 주입하여 3 cm * 4 cm 시트형 리튬 이차전지를 제조하였다.
After the porous polyethylene separator was sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, 1% VC of the additive VC, 1.5% by weight of PS and 1 M of LiPF 6 dissolved in a carbonate solvent of EC: EMC = 1: cm sheet-type lithium secondary battery.
<비교예 3>≪ Comparative Example 3 &
구리 호일 상에 음극 합제를 로딩량이 9 mg/cm2가 되도록 하여 도포하고, 공극률이 35%가 되도록 롤 프레싱하여 오직 한번의 코팅만을 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 음극 및 이차전지를 제조하였다.
Except that the coating amount of the negative electrode mixture was adjusted to 9 mg / cm 2 on the copper foil and roll-pressing was performed so that the porosity became 35%, thereby performing only one coating. A secondary battery was manufactured.
<비교예 4>≪ Comparative Example 4 &
구리 호일 상에 음극 합제를 로딩량이 4.5 mg/cm2가 되도록 하여 도포하고, 공극률이 25%가 되도록 롤 프레싱하여 1 차 코팅을 하고, 로딩량이 4.5 mg/cm2가 되도록 하여 도포하고, 공극률이 45%가 되도록 롤 프레싱하여 2 차 코팅을 한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 음극 및 이차전지를 제조하였다.
The negative electrode mixture was coated on a copper foil so that the loading amount was 4.5 mg / cm 2 , and the coating was roll-pressed so as to have a porosity of 25% to perform a primary coating and a loading amount of 4.5 mg / cm 2. And 45%, respectively, to prepare a negative electrode and a secondary battery in the same manner as in Example 2, except that the secondary coating was performed.
<실험예 1><Experimental Example 1>
1.1 충방전율(C-rate)에 따른 용량 특성 평가1.1 Evaluation of capacity characteristics according to charge / discharge rate (C-rate)
상기 실시예 1과 비교예 1 및 2; 및 실시예 2와 비교예 3 및 4;에서 제작된 각각의 파우치형 이차전지의 4.2 V 만충전 상태에서 2.5 V 영역까지 0.1C 방전 용량 및 율특성을 확인하기 위해 1C, 3C-rate 에서 방전 용량 유지율을 비교한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
Example 1 and Comparative Examples 1 and 2; And discharge capacities and rate characteristics of each pouch type secondary battery manufactured in Example 2 and Comparative Examples 3 and 4 were measured at 4.2 V full charge state to 2.5 V region at 1 C and 3 C- The retention ratios are shown in Table 1 below.
1.2 충방전 사이클에 따른 용량 특성 평가1.2 Evaluation of capacity characteristics according to charging / discharging cycle
상온 25도에서 상기 실시예 1과 비교예 1 및 2; 및 실시예 2와 비교예 3 및 4;에서 제작된 각각의 파우치형 이차전지를 1C/1C 로 4.2 V 내지 2.5 V 영역에서 충방전을 실시하고, 충방전 싸이클(Cycle) 사이에 20분의 대기시간(rest time)을 두어 300 Cycle 충방전을 실시하였다. 초기 방전 용량과 300회 충방전 후의 방전 용량을 비교한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 at a room temperature of 25 deg. And each of the pouch type secondary batteries manufactured in Example 2 and Comparative Examples 3 and 4 were charged and discharged in the range of 4.2 V to 2.5 V with 1 C / 1 C, and the batteries were charged and discharged in a cycle of 20 minutes 300 cycles of charging and discharging were performed with a rest time. The results of comparison between the initial discharge capacity and the discharge capacity after 300 cycles of charging / discharging are shown in Table 2 below.
방전 용량 (mAh)0.1 C-rate,
Discharge capacity (mAh)
상기 표 1의 결과에 따르면, 실시예 1 및 2는 본 발명에 따른 전극을 사용하여, 상대적으로 전극 합제의 표면과 전해액이 맞닿는 표면적이 크고, 전극의 내부까지 함침되기가 쉬워, 1C-rate와 3C-rate에서도 우수한 용량 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 1C-rate에서 300회 충방전을 실시한 이후에도 가장 높은 용량 %를 나타내는 바, 수명 특성에서도 우수한 효과를 나타내는 것이 확인되었다.According to the results shown in Table 1, the electrodes of Examples 1 and 2 have a large surface area in which the surface of the electrode mixture is in contact with the electrolyte relative to the electrode, and the inside of the electrode is easily impregnated. 3C-rate. In addition, it exhibited the highest capacity% even after 300 cycles of charging / discharging at 1C-rate, and it was confirmed that the battery exhibited excellent effects in life characteristics.
반면에, 비교예 1 및 3은 오직 한번의 코팅만을 수행한 양극 및 음극을 사용한 이차전지로서, 상기 전지특성 평가에서 모두 가장 낮은 용량 %를 보였다.On the other hand, Comparative Examples 1 and 3 were the secondary batteries using the positive electrode and the negative electrode, which were subjected to only one coating, and showed the lowest capacity percentages in the evaluation of the battery characteristics.
또한, 비교예 2 및 4는 2차 코팅을 수행한 양극 및 음극을 사용한 이차전지로서, 최내층 전극 합제층의 공극률과 최외층 전극 합제층의 공극률이 각각 실시예 1 및 2와 동일함에도, 실시예 1 및 2보다 현저하게 낮은 전지 특성을 보인다. 이는 상호 인접한 전극 합제층의 공극률의 차이가 큰 경우, 오히려 전지 특성을 저하시킬 수 있는 것에 기인한 것으로 보인다.
In Comparative Examples 2 and 4, the porosity of the innermost electrode composite material layer and the porosity of the outermost electrode material mixture layer were the same as in Examples 1 and 2, respectively, Lt; RTI ID = 0.0 > 1 < / RTI > This may be due to the fact that when the difference in the porosity of the adjacent electrode mixture layers is large, the battery characteristics may be deteriorated.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
Claims (20)
상기 전극 합제층들은 각각 전극 활물질을 포함하며,
상기 전극 합제층들의 형성 방향을 기준으로, 상호 인접한 전극 합제층들 중에서, 상대적으로 집전체에 가까운 쪽에 위치하는 전극 합제층의 공극률(porosity)이 상대적으로 집전체에서 먼 쪽에 위치하는 전극 합제층의 공극률보다 작으며, 상기 상호 인접한 전극 합제층들의 공극률의 차이는 5% 내지 10%인 것을 특징으로 하는 다층 구조 전극.An electrode current collector for transferring electrons between the external conductor and the electrode active material, and three electrode mixture layers sequentially coated on the electrode current collector,
Wherein the electrode mixture layers each comprise an electrode active material,
The electrode assembly layer having a porosity of the electrode assembly layer positioned relatively closer to the current collector than that of the electrode assembly layers adjacent to the current collector, And the difference in porosity between the adjacent electrode mixture layers is 5% to 10%.
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