KR101850180B1 - Secondary Battery Comprising Current Collector with Through Hole - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 합제층이 도포된 양극, 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 합제층이 도포된 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되어 있는 분리막으로 구성되어 있는 전극조립체를 포함하고, 상기 집전체들에는 집전체의 상면과 하면을 연통하는 하나 이상의 관통구가 천공되어 있으며, 상기 관통구의 내부 중공에는 (i) 전극 활물질, 또는 (ii) 전극 활물질과 바인더의 혼합물, 또는 (iii) 전극 활물질과 도전재의 혼합물이 채워져 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.The present invention relates to a positive electrode current collector comprising a positive electrode coated with a positive electrode mixture layer on one surface or both surfaces thereof, a negative electrode coated with a negative electrode mixture layer on one or both surfaces of the negative electrode collector, and a separator interposed between the positive and negative electrodes (Ii) an electrode active material, and (ii) an electrode active material and a binder, wherein the electrode active material and the electrode active material are mixed with each other. Or (iii) a mixture of an electrode active material and a conductive material is filled.
Description
본 발명은 관통구가 천공되어 있는 집전체를 포함하는 이차전지로서, 전극 활물질이 도포되어 있는 전극 집전체에 복수의 관통구를 천공하고, 상기 관통구에 전극 활물질 또는 전극 활물질과 바인더의 혼합물 또는 전극 활물질과 도전재의 혼합물을 채움으로써 용량이 증가된 이차전지를 제공하기 위한 기술이다.The present invention relates to a secondary battery comprising a current collector in which a through hole is perforated, the secondary battery comprising: a plurality of through holes formed in an electrode current collector coated with an electrode active material; and an electrode active material or a mixture of an electrode active material and a binder This is a technique for providing a secondary battery with increased capacity by filling a mixture of an electrode active material and a conductive material.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대한 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.As technology development and demand for mobile devices have increased, there has been a rapid increase in demand for secondary batteries as energy sources. Among such secondary batteries, lithium secondary batteries, which exhibit high energy density and operating potential, long cycle life, Batteries have been commercialized and widely used.
한편, 시간이 지날수록 소비자들은 더 큰 용량의 에너지를 필요로 하고 있는 바, 에너지 밀도가 높은 전지를 만들기 위해서는 전극을 두껍게 하여야 하는데, 더욱 상세하게는 전극의 집전체에 도포되는 합제층의 두께를 증가시켜야 한다. 그러나, 이와 같이 전극 합제층의 두께를 증가시키면 전극의 전해액 젖음(웨팅: wetting)이 충분히 이루어지지 않는다는 문제점이 발생한다.On the other hand, as time passes, consumers require a larger amount of energy. In order to make a battery having a high energy density, electrodes must be made thicker, more specifically, the thickness of the mixture layer applied to the current collector . However, if the thickness of the electrode assembly layer is increased as described above, there arises a problem that electrolyte wetting of the electrode is not sufficiently performed.
구체적으로, 전해액은 전극 합제 성분들에 대한 친화성이 높지 않을 뿐만 아니라, 합제층의 부피를 크게 하는 경우에는 그에 따라 전해액의 이동 경로가 길어지므로, 전해액의 침투가 용이하지 않아 충분한 웨팅 특성을 달성하기 어렵다. 또한, 전극에 전해액이 충분히 침투하지 못하면, 이온의 이동이 느려지게 되어 전극 반응이 원활히 이루어질 수 없고 결과적으로 전지의 효율이 저하된다.Specifically, the electrolyte does not have a high affinity for the electrode material mixture components, and when the volume of the mixture layer is increased, the flow path of the electrolytic solution becomes longer, so that the penetration of the electrolyte solution is not easy, It is difficult to do. Further, if the electrolyte does not sufficiently penetrate into the electrode, the movement of the ions is slowed down, and the electrode reaction can not be smoothly performed, resulting in a deterioration of the efficiency of the battery.
일반적으로, 이차전지의 전극은 집전체와 그 표면에 코팅되는 전극 합제로 이루어지는데, 소망하는 전지의 성능을 얻기 위하여 전극의 형태에 변화를 주거나 활물질의 성분 등을 조절하는 방법이 활발히 연구되고 있다.Generally, an electrode of a secondary battery is composed of a current collector and an electrode mixture coated on the surface thereof. In order to obtain the performance of a desired battery, a method of changing the shape of the electrode or adjusting the composition of the active material has been actively studied .
종래에 전극의 형태에 변화를 주는 방법으로서, 집전체에 패턴형성용 잉크 등을 도포하고 에칭하는 방법으로 개구공을 형성하여 집전체에 패턴을 형성하는 방법이 알려져 있으며, 집전체 상에 활물질을 패턴화하여 도포하는 기술도 알려져 있으나, 이 방법들은 활물질의 도포에 있어서, 분사나 압착 등을 이용하여 집전체 면에 선택적으로 도포하는 방법으로, 일정한 패턴에 따라 도포 부분과 비도포 부분으로 나눔으로써 집전체의 일부가 노출되게 하였다. 이러한 활물질 패터닝 방식은 충방전시의 부피 변화를 효과적으로 완충하는 작용을 하지만, 비도포 부분의 존재로 인해 활물질의 로딩량이 크게 줄어들게 되어 전지의 효율성 감소가 불가피하다는 문제점을 가지고 있다.As a method of changing the shape of an electrode in the past, there has been known a method of forming a pattern on a current collector by forming an opening hole by applying and etching a pattern forming ink or the like on a current collector. However, these methods are applied selectively to the collector surface by spraying, pressing, or the like in the application of the active material, and are divided into a coated portion and a non-coated portion according to a certain pattern Thereby exposing a part of the current collector. Such an active material patterning method effectively buffers the volume change during charging and discharging, but the loading amount of the active material is greatly reduced due to the presence of the non-coated portion, which leads to a problem that the efficiency of the battery is inevitably reduced.
따라서, 에너지 밀도를 증가시킬 수 있음과 동시에, 전해액의 용이한 침투로 인해 충분한 웨팅 특성을 달성함으로써, 전극 반응이 활발히 이루어질 수 있는 이차전지의 개발에 대한 필요성이 높은 실정이다.Therefore, there is a high demand for the development of a secondary battery which can increase the energy density and attain sufficient wetting characteristics due to easy penetration of the electrolyte solution, so that the electrode reaction can be actively performed.
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, 전극 집전체에 관통구를 형성한 후 상기 관통구에 전극 활물질, 전극 활물질과 바인더의 혼합물 또는 전극 활물질과 도전재의 혼합물을 채운 후 전극 합제를 도포하는 경우, 도포되는 활물질의 양이 증가되므로 용량이 증가된 이차전지를 제조할 수 있다.The inventors of the present application have conducted intensive research and various experiments. As described later, a through hole is formed in the electrode current collector, and the electrode active material, a mixture of the electrode active material and the binder or the electrode active material, When the electrode mixture is applied after filling the ash mixture, the amount of the active material to be applied is increased, so that the capacity of the secondary battery can be increased.
또한, 양극 활물질의 리튬 이온이 관통구를 통해 이동이 가능하기 때문에 양극 활물질의 이용률이 증가될 뿐만 아니라, 상기 관통구를 통한 전해액의 이동도 가능하기 때문에 전해액에 대한 습윤성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.Since the lithium ion of the positive electrode active material can move through the through hole, not only the utilization ratio of the positive electrode active material is increased but also the movement of the electrolyte through the through hole is possible, so that the wettability to the electrolyte is improved have.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는,Therefore, in the secondary battery according to the present invention,
양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 합제층이 도포된 양극, 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 합제층이 도포된 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되어 있는 분리막으로 구성되어 있는 전극조립체를 포함하고;A positive electrode coated with a positive electrode mixture layer on one surface or both surfaces of a positive electrode collector, a negative electrode coated with a negative electrode mixture layer on one or both surfaces of a negative electrode collector, and a separator interposed between the positive and negative electrodes, Include;
상기 집전체들에는 집전체의 상면과 하면을 연통하는 하나 이상의 관통구가 천공되어 있으며;At least one through-hole communicating with the upper surface and the lower surface of the current collector is formed in the current collectors;
상기 관통구의 내부 중공에는 (i) 전극 활물질, 또는 (ii) 전극 활물질과 바인더의 혼합물, 또는 (iii) 전극 활물질과 도전재의 혼합물이 채워져 있는 구성일 수 있다.(Ii) an electrode active material and a binder; or (iii) a mixture of an electrode active material and a conductive material is filled in the inner hollow of the through-hole.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 전극 집전체에 관통구를 형성하고 있는 바, 전지의 용량을 증가시킬 수 있는 구성요소인 전극 활물질의 로딩량을 증가시키기 위하여, 상기 관통구에 전극 활물질, 전극 활물질과 바인더의 혼합물 또는 전극 활물질과 도전재의 혼합물을 채운 후 전극 합제를 도포하는 구성으로 형성된다. 구체적으로, 전극 집전체 위에 전극 활물질, 전극 활물질과 바인더의 혼합물 또는 전극 활물질과 도전재의 혼합물을 위치시킨 후, 상기 전극 활물질 등을 일정한 방향으로 쓸어 내리며 이동시킴으로써 관통구가 형성되지 않은 집전체 부분에는 상기 전극 활물질 등이 위치하지 않지만, 관통구들의 내부 동공은 상기 전극 활물질 등으로 채워지도록 하며, 이와 같은 구성의 전극 집전체 위에 전극 합제를 도포하여 전극을 완성한다.Therefore, the secondary battery according to the present invention has a through-hole formed in the electrode current collector. In order to increase the loading amount of the electrode active material, which is a component capable of increasing the capacity of the battery, the electrode active material, A mixture of an active material and a binder, or a mixture of an electrode active material and a conductive material, and then applying an electrode mixture. Specifically, a mixture of an electrode active material, a mixture of an electrode active material and a binder, or a mixture of an electrode active material and a conductive material is placed on the electrode current collector, and then the electrode active material or the like is swept and moved in a predetermined direction, The electrode active material and the like are not located. However, the inner pores of the through holes are filled with the electrode active material, and the electrode mixture is coated on the electrode current collector having the above-described structure to complete the electrode.
이와 같이, 관통구에 개재되는 활물질의 양으로 인하여 전극 집전체에 도포되는 전체적인 활물질의 양이 증가되기 때문에 종래에 용량 저하로 인한 문제점들을 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 관통구에 활물질과 바인더를 개재시키는 경우에는 집전체를 사이에 두고 양면에 도포되는 활물질 간의 결합력이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.Since the amount of the active material applied to the electrode current collector increases due to the amount of the active material interposed in the through hole, it is possible to solve the problems caused by the capacity reduction in the related art, The bonding force between the active materials applied to both surfaces of the current collector is improved.
또한, 전극조립체에 형성된 다수의 관통구들을 통해 전해액이 전극조립체의 내부로 용이하게 이동할 수 있으므로, 전해액에 대한 전극의 함침성을 높일 수 있다. 따라서, 전지의 면적이 커지더라도 젖음성(wetting)이 균일화될 수 있고, 공정 시간이 단축될 수 있으므로, 궁극적으로 전지의 안전성 및 수명 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 더욱이, 이러한 높은 함침성은 고율 충방전 조건에서도 우수한 레이트 특성을 유지하는데 도움을 준다.Also, since the electrolyte can easily move into the electrode assembly through the plurality of through-holes formed in the electrode assembly, the impregnability of the electrode with respect to the electrolyte can be enhanced. Therefore, even if the area of the battery is increased, the wetting can be made uniform and the process time can be shortened, so that the safety and life characteristics of the battery can be greatly improved. Moreover, such high impregnation helps to maintain excellent rate characteristics even under high rate charge / discharge conditions.
본 발명에 따른 이차전지에 있어서, 상기 관통구가 형성되는 집전체들은 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 구리, 스테인레스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 구리나 스테인레스 스틸로 이루어진 군에서 선택되는 금속 또는 그것의 합금의 호일 형태로 이루어질 수 있으나, 바람직하게는 알루미늄 호일 또는 구리 호일의 형태일 수 있다.In the secondary battery according to the present invention, the current collectors in which the through-holes are formed are not particularly limited as long as they have conductivity without causing chemical changes in the battery, and examples thereof include aluminum, aluminum alloy, nickel, , Stainless steel, nickel, titanium, sintered carbon, or a metal or alloy thereof selected from the group consisting of copper and stainless steel, but may preferably be in the form of aluminum foil or copper foil.
하나의 구체적인 예에서, 상기 집전체들의 두께는 10 마이크로미터 내지 30 마이크로미터일 수 있으며, 상세하게는 10 마이크로미터 내지 20 마이크로미터일 수 있다. In one specific example, the thickness of the current collectors may be 10 micrometers to 30 micrometers, and more specifically 10 micrometers to 20 micrometers.
상기 집전체들의 두께가 10 마이크로미터보다 얇은 경우에는 활물질의 양을 소망하는 만큼 증가시키기 어려우며, 30 마이크로미터 보다 두꺼울 경우에는, 전극 전체의 두께가 증가하므로 상대적으로 도포되는 전극 합제의 양이 줄어들기 때문에 바람직하지 않다.When the current collectors are thinner than 10 micrometers, it is difficult to increase the amount of the active material as much as desired. When the current collectors are thicker than 30 micrometers, the total thickness of the electrodes increases, Which is undesirable.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는, 전지셀의 성능 저하 없이, 전지케이스로부터 양극, 음극 및 분리막으로 구성되는 하나 이상의 유닛으로 이루어진 구조라면 크게 제한되는 것은 아니며, 구체적으로, 양극판, 분리막 및 음극판을 순차적으로 적층한 후 권취하여 형성된 젤리-롤형 전극조립체, 분리막이 개재된 상태로 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 적층되어 있는 스택형 전극조립체, 또는 양극판과 음극판을 포함하는 적층형 유닛셀들이 분리 시트 위에 권취되어 있는 스택-폴딩형 전극조립체, 또는 양극판과 음극판을 포함하는 적층형 유닛셀들이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 라미네이션-스택형 전극조립체일 수 있다.In one specific example, the electrode assembly is not particularly limited as long as it has a structure composed of at least one unit composed of an anode, a cathode, and a separator from the battery case without deteriorating the performance of the battery cell. Specifically, A stacked electrode assembly in which at least one positive electrode plate and at least one negative electrode plate are laminated with a separation membrane interposed therebetween or stacked unit cells including a positive electrode plate and a negative electrode plate are stacked on a separating sheet Stacked electrode assembly in which stacked unit cells including a positive electrode plate and a negative electrode plate are laminated with a separator interposed therebetween.
본 발명에 따른 이차전지는 전극 집전체에 형성된 관통구에 전극 활물질, 전극 활물질과 바인더의 혼합물 또는 전극 활물질과 도전재의 혼합물이 채워져 있는 구조인 바, 활물질 등이 개재되어 있는 상태라면 관통구의 형상이 특별히 한정되지는 않지만, 평면상으로 원형, 타원형, 다각형 또는 슬릿형으로 이루어질 수 있으며, 개재될 수 있는 활물질 등의 양과 집전체의 강도를 고려할 때 바람직하게는 슬릿형으로 이루어질 수 있다.The secondary battery according to the present invention has a structure in which a mixture of an electrode active material, a mixture of an electrode active material and a binder or an electrode active material and a conductive material is filled in a through hole formed in an electrode current collector, Although it is not particularly limited, it may be in the form of a circle, an ellipse, a polygon, or a slit in a planar shape, and may be slit-shaped, considering the amount of the active material to be interposed and the strength of the current collector.
하나의 구체적인 예에서, 상기 집전체들에는 둘 이상의 관통구들이 천공되어 있는 바, 상기 관통구들은 집전체에 관통구를 형성하기 위한 제조 공정의 설계를 고려할 때 모두 동일한 형상으로 이루어질 수 있다.In one specific example, the current collectors are formed with two or more through-holes, and the through-holes may all have the same shape when designing a manufacturing process for forming a through-hole in the current collector.
하나의 다른 구체적인 예에서, 상기 집전체들에는 둘 이상의 관통구들이 천공되어 있고, 상기 관통구들은 2종 이상의 상이한 형상으로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 슬릿형의 관통구의 직선상 상하좌우 또는 대각선상의 위치에 원형 관통구, 타원형 관통구 또는 다각형 관통구가 위치하고, 반대로, 원형 관통구, 타원형 관통구 또는 다각형 관통구의 직선상 상하좌우 또는 대각선상의 위치에 슬릿형 관통구가 위치하는 형상으로 이루어질 수 있다. 이와 같은 형상인 경우 관통구에 개재되는 활물질 등의 양을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 집전체의 강도저하도 방지할 수 있다.In one other specific example, the current collectors may have two or more through-holes, and the through-holes may have two or more different shapes. For example, a circular through-hole, an elliptical through-hole, or a polygonal through-hole is located at a position on a straight line on the top, bottom, right, left, or diagonal of the through-hole of a slit type. Conversely, a straight through- And the slit-shaped through-hole may be located at a position on the diagonal line. With such a shape, it is possible not only to increase the amount of the active material interposed in the through-hole but also to prevent the strength of the current collector from being lowered.
본 발명에 따른 이차전지에 있어서, 둘 이상의 관통구들이 천공되어 있는 상기 집전체들에서, 상기 관통구들의 면적의 총합은 집전체의 상면 또는 하면의 표면적을 기준으로 1% 내지 30%의 크기일 수 있으며, 상세하게는 5% 내지 30%일 수 있으며, 더욱 상세하게는 10% 내지 30%일 수 있다. 상기 관통구들의 면적의 총합이 집전체의 상면 또는 하면의 표면적을 기준으로 1%보다 적은 경우에는 활물질의 로딩양을 증가시키기 위한 목적을 달성하기 어렵고, 30%보다 넓을 경우에는 집전체의 강도가 약해질 수 있을 뿐만 아니라, 활물질이 쉽게 탈락될 수 있으므로 바람직하지 않다.In the secondary battery according to the present invention, in the current collectors in which two or more through-holes are perforated, the total area of the through-holes may be 1% to 30% of the total area of the upper or lower surface of the current collector More specifically from 5% to 30%, and more particularly from 10% to 30%. If the sum of the areas of the through-holes is less than 1% based on the surface area of the upper or lower surface of the collector, it is difficult to achieve the purpose of increasing the loading amount of the active material. It is not preferable because the active material can be easily dropped off.
한편, 상기 관통구들은 사용되는 집전체의 면적 및 두께에 따라 다양하게 정해질 수 있으나, 상세하게는, 원형 관통구의 직경이나 타원형 관통구 또는 다각형 관통구의 장경은 0.1 mm 내지 5 mm일 수 있고, 상세하게는 0.5 mm 내지 4 mm일 수 있으며, 더욱 상세하게는 1 mm 내지 3 mm 일 수 있고, 슬릿형 관통구의 길이는 1 mm 내지 10 mm일 수 있으며, 상세하게는 2 mm 내지 8 mm일 수 있으며, 더욱 상세하게는 4 mm 내지 7 mm 일 수 있다.The diameter of the circular through-hole, the diameter of the elliptical through-hole or the polygonal through-hole may be 0.1 mm to 5 mm, and the diameter of the through- More specifically, from 1 mm to 3 mm, and the length of the slit-shaped through-hole may be from 1 mm to 10 mm, and more specifically, from 2 mm to 8 mm And more specifically from 4 mm to 7 mm.
상기 관통구들의 크기가 너무 작은 경우에는 활물질 로딩양의 증가의 폭이 적을 뿐만 아니라, 리튬 이온의 이동에 의한 활물질의 이용률 증가 및 전해액의 이동에 따른 전극의 함침성을 향상시키기 위한 효과가 적고, 관통구들의 크기가 너무 큰 경우에는 집전체의 강도가 약해질 수 있으므로 바람직하지 않다.When the size of the through-holes is too small, the effect of improving the impregnability of the electrode due to the increase of the utilization ratio of the active material due to the movement of lithium ions and the movement of the electrolyte is small, If the size of the through-holes is too large, the strength of the current collector may be weakened.
본 발명에 따른 이차전지는, 관통구가 형성된 집전체에 전극 활물질 등이 포함된 상태에서 상기 집전체 위에 양극 합제층 또는 음극 합제층이 도포되는 형상일 수 있는 바, 상기 양극 합제층과 음극 합제층은 전극 활물질 뿐만 아니라 바인더 및 도전제를 포함하는 전극 합제로 이루어질 수 있으며, 필요에 따라서는 상기 합제에 충진제를 더 첨가하기도 한다.The secondary battery according to the present invention may have a shape in which a positive electrode material mixture layer or a negative electrode material mixture layer is coated on the current collector in a state where an electrode active material or the like is contained in a current collector having a through- The layer may be composed of an electrode mixture containing the electrode active material as well as a binder and a conductive agent, and if necessary, a filler may be further added to the mixture.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 전극 활물질을 포함하는 전극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 (EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.The binder is a component that assists in binding of the active material to the conductive material and bonding to the current collector, and is usually added in an amount of 1 to 30 wt% based on the total weight of the electrode material mixture containing the electrode active material. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers and the like.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 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 있다.The conductive material is usually added in an amount of 1 to 30% 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 can be used.
상기 충진제는 전극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 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.The filler is optionally used as a component for suppressing the expansion of the electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing a chemical change in the battery. Examples of the filler include olefin polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials such as glass fibers and carbon fibers are used.
하나의 구체적인 예에서, 상기 집전체에 형성된 관통구의 내부 중공에는 전극 활물질, 전극 활물질과 바인더 또는 전극 활물질과 도전재가 채워져 있을 수 있으나, 전지의 용량을 증대하기 위해서는 전극 합제의 구성 성분들 가운데 활물질의 양을 증가시키는 것이 필요하기 때문에, 전극 활물질이 채워져 있는 것이 바람직하다.In one specific example, the electrode active material, the electrode active material, the binder or the electrode active material and the conductive material may be filled in the inner hollow of the through-hole formed in the current collector. However, in order to increase the capacity of the battery, Since it is necessary to increase the amount, it is preferable that the electrode active material is filled.
한편, 리튬 이차전지에 있어서, 일반적으로 음극 활물질은 양극 활물질에 비해 상대적으로 효율이 낮을 수 있고, 음극 활물질의 이론 용량이 양극 활물질과 동등한 경우라 하더라도 최초 충전을 포함한 초기 충방전시 음극 활물질에 비가역 용량이 발생하게 되어 양극 활물질의 작동 효율보다 낮아지게 되는 바, 음극 합제층의 두께가 양극 합제층의 두께보다 두껍게 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 음극의 용량을 양극에 비해 더욱 증가시킬 필요가 있기 때문에, 음극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적이 양극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적에 비해 상대적으로 넓게 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 음극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적은 양극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적의 101% 내지 200%일 수 있으며, 상세하게는 110% 내지 180%일 수 있고, 더욱 상세하게는 120% 내지 160%일 수 있다.On the other hand, in a lithium secondary battery, in general, the negative electrode active material may have a relatively low efficiency as compared with the positive electrode active material, and even when the theoretical capacity of the negative electrode active material is equal to that of the positive electrode active material, The capacity is lowered than the operating efficiency of the cathode active material. It is preferable that the thickness of the anode mixture layer is formed thicker than the thickness of the anode mixture layer. Since the capacity of the cathode is required to be further increased as compared with that of the anode, the total area of the through-holes formed in the anode current collector can be formed relatively larger than the total area of the through-holes formed in the anode current collector. Specifically, the total area of the through-holes formed in the anode current collector may be from 101% to 200%, more specifically from 110% to 180% of the total area of the through-holes formed in the anode current collector, % To 160%.
상기 음극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적이 양극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적의 101% 보다 적은 경우에는, 상대적으로 낮은 작동 효율을 갖는 음극으로 인해 양극이 불필요하게 낭비될 수 있고, 200%보다 클 경우에는 상대적으로 음극의 집전체가 약하게 제조될 수 있고 양극의 작동 효율과 균형이 맞지 않아 음극이 낭비될 수 있으므로 바람직하지 않다.When the total area of the through-holes formed in the anode current collector is less than 101% of the total area of the through-holes formed in the anode current collector, the anode may be unnecessarily wasted due to the cathode having a relatively low operating efficiency, The collector of the negative electrode may be relatively weakly manufactured, and the working efficiency of the anode may not be balanced with the efficiency of the anode, which may waste the cathode.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 이차전지를 제공하는 바, 상기 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 다수의 전지셀들을 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 전원으로서 포함하는 중대형 디바이스에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.The present invention also provides a secondary battery in which the electrode assembly is sealed inside a battery case together with an electrolytic solution. The secondary battery can be used not only in a battery cell used as a power source of a small device, but also in a high- A battery pack including a plurality of battery cells used as a power source for a medium and large-sized device requiring long cycle characteristics and high rate characteristics, and a unit cell for a middle- or large-sized device including the battery pack as a power source.
상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 모바일 전자기기(Mobile device), 웨어러블 전자기기(Wearable device), 전지모듈로부터 동력을 받아 작동하는 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 시스템을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Preferred examples of the middle- or large-sized device include a mobile device, a wearable device, a power tool powered by the battery module, An electric vehicle including an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV), and the like; An electric motorcycle including an electric bike (E-bike) and an electric scooter (E-scooter); An electric golf cart; But is not limited to, a system for power storage.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전극 집전체에 관통구를 형성한 후 상기 관통구에 전극 활물질, 전극 활물질과 바인더의 혼합물 또는 전극 활물질과 도전재의 혼합물을 채운 후 전극 합제를 도포하는 구성을 통하여 도포되는 활물질의 양을 증가시킬 수 있으므로 용량이 증가된 이차전지를 제조할 수 있다.As described above, the secondary battery according to the present invention is characterized in that a through hole is formed in the current collector of the electrode, the electrode active material, a mixture of the electrode active material and the binder, or a mixture of the electrode active material and the conductive material is filled in the through hole, The amount of the active material to be applied can be increased, and thus a secondary battery having an increased capacity can be manufactured.
또한, 양극 활물질의 리튬 이온이 관통구를 통해 이동이 가능하기 때문에 전극 활물질의 이용률이 증가될 뿐만 아니라, 상기 관통구를 통한 전해액의 이동도 가능하기 때문에 전해액에 대한 습윤성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.In addition, since the lithium ion of the positive electrode active material can move through the through hole, not only the utilization rate of the electrode active material is increased but also the movement of the electrolyte through the through hole is possible, so that the wettability to the electrolyte is improved have.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예로서 다양한 형태의 관통구들이 형성된 집전체들을 나타낸 평면 모식도이다;
도 2는 본 발명의 다른 하나의 실시예로서 2종 이상의 상이한 형상으로 이루어진 관통구가 형성된 집전체를 나타낸 평면 모식도이다;
도 3은 집전체에 형성된 관통구에 활물질이 포함된 상태를 나타낸 평면 모식도이다;
도 4는 도 3의 A-A’의 단면도이다;
도 5는 도 3의 B-B’의 단면도이다; 및
도 6은 도 4의 집전체에 전극 합제가 도포된 상태의 모식도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a plan view of current collectors formed with various types of through-holes as an embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 2 is a plan view schematically illustrating a current collector in which two or more through holes having different shapes are formed as another embodiment of the present invention; FIG.
3 is a plan view schematically showing a state in which an active material is contained in a through hole formed in a current collector;
4 is a cross-sectional view taken along line A-A 'of Fig. 3;
5 is a cross-sectional view of B-B 'of Fig. 3; And
Fig. 6 is a schematic view of the current collector of Fig. 4 coated with an electrode mixture.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited by the scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예로서 집전체에 형성된 관통구들을 모식적으로 도시하였다.FIG. 1 schematically shows through-holes formed in a current collector according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 집전체들(120, 130, 140, 150)에 형성된 관통구들(121, 131, 141, 151)은 원형 관통구(121), 타원형 관통구(131), 다각형 관통구(141) 또는 슬릿형 관통구(151)로 이루어져 있으며, 상기 집전체들(120, 130, 140, 150) 가운데 어느 하나에 형성된 관통구들은 모두 동일한 형상으로 이루어져 있다. 한편, 상기 관통구들의 면적의 총합은 집전체의 두께 또는 집전체의 재료에 따라 강도가 너무 약해지지 않는 범위 내에서 선택될 수 있는 바, 집전체의 상면 또는 하면의 표면적을 기준으로 1% 내지 30%의 범위 내에서 정해질 수 있다.1, the through-
또한, 상기 관통구들(121, 131, 141, 151)의 크기는 전지의 용량을 고려하여 적절한 범위에서 선택될 수 있는 바, 원형 관통구(121)의 직경(d1)이나 타원형 관통구(131)의 장경(d2) 또는 다각형 관통구(141)의 장경(d3)은 0.1 mm 내지 5 mm의 범위 내에서 형성될 수 있으며, 슬릿형 관통구(151)의 길이(d4)는 1 mm 내지 10 mm의 범위 내에서 형성될 수 있다.The diameter d1 of the circular through
도 2는 본 발명의 다른 하나의 실시예로서 2종 이상의 상이한 형상으로 이루어진 관통구가 형성된 집전체를 모식적으로 도시하고 있다.Fig. 2 schematically shows a current collector in which two or more through-holes having different shapes are formed as another embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 집전체(210) 위에는 원형 관통구(211) 및 다각형 관통구(212)로 구성된 서로 다른 2종의 형상으로 이루어진 관통구가 형성되어 있다. 상기 원형 관통구(211)들 및 다각형 관통구(212)들은 집전체(210)의 길이 방향(L)으로 동일한 간격으로 형성되어 있으며, 집전체(210)의 폭 방향(W)의 단면 상 또는 길이 방향의 단면 상에는 서로 다른 형상의 관통구들이 겹쳐지지 않도록 위치하고 있다.Referring to FIG. 2, through-holes are formed on the current collector 210 in two different shapes, each having a circular through-
상기 집전체(210)에는 원형 관통구(211)들로 이루어진 행과 다각형 관통구(212)들로 이루어진 행이 번갈아 가며 형성되어 있다. In the current collector 210, a row of circular through
또 다른 하나의 실시예로서, 집전체(310) 위에는 슬릿형 관통구(311) 및 원형 관통구(312)로 구성된 서로 다른 2종의 형상으로 이루어진 관통구가 형성되어 있다. 상기 슬릿형 관통구(311)들 및 원형 관통구(312)들은 집전체(310)의 길이 방향(L)으로 동일한 간격으로 형성되어 있으며, 집전체(310)의 폭 방향(W)의 단면 상 또는 길이 방향의 단면 상에는 서로 다른 형상의 관통구들이 겹쳐지지 않도록 위치하고 있다. 이와 같이 서로 다른 형상의 관통구들을 서로 다른 행에 위치하도록 배치함으로써 전지의 용량 증가의 효과뿐만 아니라, 집전체의 강도가 떨어지는 것을 방지할 수 있다.In another embodiment, the current collector 310 is formed with two different through-holes, each of which is formed of a slit-shaped through-hole 311 and a circular through-
도 3은 집전체에 형성된 관통구에 활물질이 포함된 상태를 모식적으로 도시하고 있고, 도 4는 도 3의 A-A’ 방향의 단면도를, 도 5는 도 3의 B-B’ 방향의 단면도를 모식적으로 도시하고 있다.3 schematically shows a state in which the active material is contained in the through hole formed in the current collector. Fig. 4 is a sectional view taken along the line A-A 'in Fig. 3, and Fig. 5 is a sectional view taken along the line B- Sectional views schematically.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 두께(D)가 10 ㎛ 내지 30 ㎛인 집전체(410)에는 슬릿형 관통구(411) 및 원형 관통구(412)가 형성되어 있으며, 상기 관통구들(411, 412)에는 전극 활물질(421, 422)이 포함되어 있다. 구체적으로, 전극 집전체 위에 전극 활물질을 위치시킨 후, 상기 전극 활물질을 일정한 방향으로 쓸어 내리며 이동시킴으로써, 관통구가 형성되지 않은 집전체 부분에는 상기 전극 활물질 등이 위치하지 않지만, 관통구들의 내부 동공에는 상기 전극 활물질 등이 채워지도록 한다.3 to 5, a slit-shaped through
이와 같이, 하나의 구체적인 예에서, 관통구들의 동공 안에 전극 활물질이 개재되는 형상의 집전체를 사용함으로써, 전지의 용량 증가의 효과를 발휘할 수 있다.As described above, in one specific example, the effect of increasing the capacity of the battery can be exhibited by using the current collector having the electrode active material interposed in the pores of the through-holes.
하나의 다른 구체적인 예에서, 상기 관통구들(411, 412)에 전극 활물질과 바인더의 혼합물이 개재되는 경우에는, 집전체의 상면 및 하면에 도포되는 전극 합제 간의 결합력을 높일 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.In another specific example, when the mixture of the electrode active material and the binder is interposed in the through-
하나의 또 다른 구체적인 예에서, 상기 관통구들(411, 412)에 전극 활물질과 도전재의 혼합물이 개재되는 경우에는, 관통구를 통한 이온 전도도를 높임으로써 활물질의 이용률을 증가시킬 수 있다.In another specific example, when the mixture of the electrode active material and the conductive material is interposed in the through-
또한, 슬릿형 관통구(411)들 상의 절단면인 도 4 및 원형 관통구(412)들 상의 절단면인 도 5를 참조하면, 서로 동일한 형상의 관통구들만이 동일한 행에 위치하도록 배치하기 때문에 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 동일한 형상을 갖는 관통구들은, 상이한 형상의 관통구의 지름, 장경 또는 길이만큼 일정한 간격을 두고 위치하게 된다. 따라서 관통구들 간의 간격이 너무 좁게 형성되지 않게 되고, 절단면에는 단일한 크기 및 종류의 관통구들만이 나타나게 된다.5, which is a cut surface on the slit-shaped through-
도 6은 도 4의 집전체에 전극 합제가 도포된 상태를 나타낸 모식도이다.6 is a schematic view showing a state in which the electrode mixture is applied to the current collector of FIG.
도 6을 참조하면, 전극 집전체(410)에 관통구(411)들이 형성되어 있고, 상기 관통구들(411)에는 전극 활물질, 전극 활물질과 바인더의 혼합물 또는 전극 활물질과 도전재의 혼합물(421)이 개재되어 있다. 이와 같은 구조의 전극 집전체(410)의 상면 및 하면에는 전극 합제층(430)이 도포됨으로써 전지의 용량 증가 또는 합제층 간의 결합력 증가 등의 효과를 발휘할 수 있다. 상기 집전체에 형성된 관통구의 총 면적과 관련하여, 음극과 양극은 작동 효율에 차이가 있는 바, 음극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적이 양극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적에 비해 상대적으로 넓게 형성될 수 있으며, 구체적으로는 음극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적은 양극 집전체에 형성된 관통구의 총 면적의 101% 내지 200%로 형성될 수 있다.
6, a through
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments.
Claims (16)
상기 집전체들에는 집전체의 상면과 하면을 연통하는 하나 이상의 관통구가 천공되어 있으며;
상기 관통구의 내부 중공에는 (i) 전극 활물질, 또는 (ii) 전극 활물질과 바인더의 혼합물, 또는 (iii) 전극 활물질과 도전재의 혼합물이 채워져 있는 것을 특징으로 하는 이차전지에 있어서,
상기 관통구의 형상은 평면상으로 원형, 타원형, 다각형 또는 슬릿형으로 이루어지고,
상기 관통구에서 원형 관통구의 직경이나 타원형 관통구 또는 다각형 관통구의 장경은 0.1 mm 내지 5 mm이고, 슬릿형 관통구의 길이는 1 mm 내지 10 mm인 것을 특징으로 하는 이차전지.A positive electrode coated with a positive electrode mixture layer on one surface or both surfaces of a positive electrode collector, a negative electrode coated with a negative electrode mixture layer on one or both surfaces of a negative electrode collector, and a separator interposed between the positive and negative electrodes, Include;
At least one through-hole communicating with the upper surface and the lower surface of the current collector is formed in the current collectors;
(Ii) a mixture of an electrode active material and a binder, or (iii) a mixture of an electrode active material and a conductive material, the inner hollow of the through-hole being filled with (i) an electrode active material,
Wherein the shape of the through-hole is a plane, circular, elliptical, polygonal or slit shape,
Wherein the diameter of the circular through-hole in the through-hole, the diameter of the elliptical through-hole or polygonal through-hole is 0.1 mm to 5 mm, and the length of the slit-shaped through-hole is 1 mm to 10 mm.
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GRNT | Written decision to grant |