KR102075100B1 - 전기화학소자용 전극 및 이를 포함하는 전기화학소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 배출을 원활하게 하기 위해 전극 표면에 가스 배출 유로가 구비된 전극 및 이를 포함하는 전기화학소자를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 전극 및이를 포함하는 전지는 디개싱 공정/충방전/저장 과정에서 전지 내부 발생된 가스를 원활히 배출시켜 전극 표면에 금속 리튬의 석출을 억제 또는 최소화하고 균일한 전극 반응을 유도할 수 있는 효과가 있다. 또한, 균일한 전극 반응으로 인해 전지의 수명이 증가하는 효과가 있다.

Description

전기화학소자용 전극 및 이를 포함하는 전기화학소자{An electrode for a electrochemical device and an electrochemical device comprising the same}

본 발명은 전기화학소자용 전극 및 이를 포함하는 전기화학소자에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 전지 내부에서 발생된 가스의 배출이 원활히 이루어지도록 한 전극 및 전기화학소자에 대한 것이다.

이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 병렬형 하이브리드 전기자동차(PHEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있는데, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력·대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀들을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.

그런데, 중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 제작되고 있다.

중대형 전지모듈로서 사용되는 스택/폴팅형 전극조립체에 대한 종래의 기술은 하기 특허문헌 1을 참조하여 이해 할 수 있다. 이로써, 특허문헌 1의 내용 전부는 종래의 기술로서 본 명세서 내용으로서 인용된다.

각형 또는 파우치형 리튬 이차 전지의 제조방법은 양극/음극 활물질을 이용하여 각각의 양극 필름과 음극 필름을 제조하고 상기 양극/음극 필름을 집전체에 도포하여 절연체인 분리막과 함께 감거나 적층하여 유닛셀을 제조하고; 상기 유닛셀을 캔 또는 이와 유사한 용기에 수납하고; 상기 용기에 전해액을 주입하고; 상기 용기를 실링하고; 충방전한 후; 마지막으로 충전 초기시 발생되는 가스를 제거하기 위한 디개싱(degassing)을 수행하는 것을 포함하는 것으로 이루어진다. 종래의 리튬 이차 전지의 제조방법은, 하기 특허문헌 2에 개시된 내용을 참조하여 이해할 수 있을 것이다. 이로써, 특허문헌 2의 내용 전부는 종래의 기술로서 본 명세서 내용으로서 인용된다.

리튬 이차 전지는 충전 초기에 전해액 내의 리튬 이온과 비수성 유기 용매가 반응하여 고체 전해질(solid electrolyte interface; SEI) 필름을 생성시키는데, 이를 포메이션(formation) 과정이라 하고, 이때 H₂, CO₂, CH₄, CH₂, C₂H₆, C₃H₈, C₃H₆ 등의 가스도 함께 발생된다.

또한, 최근 전지는 고용량화 및 고밀도화를 위해 면적이 넓고 두꺼워지는 추세이며, 이로 인해 충방전시 및/또는 전지 저장이나 보존시 발생한 가스의 배출이 더욱 어렵게 되는 문제가 있다.

이렇게 발생된 가스는 전지의 내압을 약 1.5∼2.5 ㎏f/㎠ 이상 상승시키며, 이러한 내압의 증가로 인해, 전지가 특정 방향으로 부풀어오르는 등 전지의 특정면의 중심부가 변형되는 현상을 유발시키며, 이로 인해 전지 내 극판 간 밀착성에서 국부적인 차이점이 발생하여 전지의 성능과 안정성이 저하되는 문제점이 생기게 된다.

특히, Li₂MnO₃ 및 LiMO₂ 를 양극 활물질로서 사용하는 경우에는 초기 충방전 과정에서 다량의 가스가 발생하는데, 이 가스에 의해 전극이 균일하지 않게 반응하거나, 리튬이 전극 표면에 석출되면 전지의 수명이 감소하는 문제점이 생긴다.

KR 10-2008-0036250 A KR 100515421 B1

따라서, 본 발명은 상기 기술된 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 가스 배출을 원활하게 하기 위해 전극 표면에 가스 배출 유로가 구비된 전극 및 이를 포함하는 전기화학소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이 외의 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명은 상기 기술 과제를 해결하기 위한 이차 전지용 전극에 대한 것이다.

본 발명의 제1 측면은 집전체; 및 상기 집전체 상에 형성된 전극 합제층;을 포함하며, 상기 전극 합제층은 표면에 고랑(furrow) 형상의 하나 이상의 가스 배출 유로가 형성되며, 상기 가스 배출 유로는 전극 표면의 중심부에서 외측부에 가까울수록 유로의 깊이가 단계적으로 또는 순차적으로 깊어지는 것인 이차 전지용 전극에 대한 것이다.

본 발명의 제2 측면은, 제1 측면에 있어서, 상기 유로가 선형으로 형성되며 가스 배출 유로가 외부와 연통되도록 하기 위해 이의 적어도 일측 말단이 전극 측면부까지 연장되는 것이다.

본 발명의 제3 측면은, 제1 또는 제2 측면에 있어서, 상기 가스 배출 유로의 수직 단면이 아치형, 사각형, 반원형, 역삼각형 또는 역사다리꼴형인 것이다.

본 발명의 제4 측면은, 제1 내지 제3 측면 중 어느 한 측면에 있어서, 상기 유로의 최대 깊이가 전극 합제층의 높이와 같은 것이다.

본 발명의 제5 측면은, 제1 내지 제4 측면 중 어느 한 측면에 있어서, 상기 가스 배출 유로가 둘 이상이 형성되며, 각 유로는 하나 이상의 다른 유로와 교차하는 것이다.

본 발명의 제6 측면은, 제5 측면에 있어서, 상기 가스 배출 유로가 전극 표면에 둘 형성되며, 상기 두 개의 유로가 X자 형상으로 교차하는 것이다.

본 발명의 제7 측면은, 상기 제6 측면에 있어서, 상기 교차된 부분이 전극 표면의 중심부측에 배치되는 것이다.

본 발명의 제8 측면은, 음극, 양극 및 분리막을 포함하고, 상기 음극과 양극이 분리막을 게재하여 하나 이상 적층되어 있고, 적층된 하나 이상의 음극 및 하나 이상의 양극 중 적어도 하나가 제1 내지 제7 측면 중 어느 하나에 따른 가스 배출 유로가 형성된 전극인 것이다.

본 발명의 제9 측면은, 제8 측면에 있어서, 상기 전극 조립체가 스택/폴딩형 전극 조립체 또는 스택형 전극 조립체인 것이다.

본 발명의 제10 측면은, 제9 측면에 있어서, 상기 전극 조립체에서 최표층에 배치되는 전극이 가스 배출 유로가 형성된 것이다.

또한, 본 발명의 제11 측면은 하나 이상의 전극을 포함하는 전지 모듈 및 다수의 전지 모듈을 포함하는 전지팩으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 하나 이상의 전극 중 적어도 하나는 제1 내지 제8 측면 중 어느 하나에 따른 전극인 것이다.

본 발명은 디개싱 공정/충방전/저장 과정에서 전지 내부 발생된 가스를 원활히 배출시켜 전극 표면에 금속 리튬의 석출을 억제 또는 최소화하고 균일한 전극 반응을 유도할 수 있는 효과가 있다. 또한, 균일한 전극 반응으로 인해 전지의 수명이 증가하는 장점도 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1a는 음극, 분리막 및 양극이 적층된 전극 조립체를 도시한 것이다.
도 1b는 도 1a의 A-A'의 단면을 도시한 것으로서, 리튬 이온과 발생된 가스의 이동 경로 및 리튬이 석출된 모양을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시양태에 따른 전극을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 전극을 C 방향으로부터 관찰한 것이다.
도 4a는 도 2의 B-B'의 단면을 도시한 것으로서, 가스 배출 유로의 깊이가 순차적으로 변화된 모습을 나타낸 것이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시양태에 따른 전극의 단면을 도시한 것으로서, 가스 배출 유로의 깊이가 단계적으로 변화된 모습을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시양태에 따른 전극의 평면도를 도시한 것으로서, 하나의 전극 표면에 두 개의 가스 배출 유로가 형성된 것을 도시한 것이다.
도 6은 전극 표면에서 리튬 금속이 석출된 양상을 확인한 것이다.
도 7 및 도 8은 실시예 및 비교예에서 제조된 전지에 대한 사이클 특성 실험 결과를 나타낸 그래프 및 표이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.

용어의 정의

본 발명에 있어서, 전극 조립체는 음극/분리막/양극이 순차적으로 적층되어 이루어진 적층 구조체를 말한다. 상기 전극 조립체는 음극, 분리막 및 양극이 각각 하나 이상 포함된 것이다.

또한, 본 발명에 있어서, 단위 셀 또는 단위 전지는 전술한 전극 조립체 및 전해질을 포함하는 것으로서 충방전 등 전기화학반응이 가능한 최소 단위인 것이다.

또한, 본 발명에 있어서, 전지, 전지 모듈 및/또는 전지 팩은 상기 단위 셀 또는 단위 전지를 하나 이상 포함하는 전기화학소자를 의미한다.

또한 본 발명에 있어서, 전기화학소자는 전술한, 전극, 전극 조립체, 단위셀 및 전지, 전지 모듈 및 전지팩을 모두를 포괄적으로 포함하는 것이다.

본 발명은 이차 전지 등 전기화학소자용 전극 및 상기 전극을 포함하는 전기화학소자에 대한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 전극은 집전체; 상기 집전체 상에 형성된 전극 합제층을 포함하며, 상기 전극 합제층은 표면에 고랑 형상의 가스 배출 유로가 하나 이상 형성되는 것이다. 또한 상기 가스 배출 유로는 전극 표면을 기준으로 하여 전극 표면의 중심부에서 외측부에 가까울수록 유로의 깊이가 깊어지는 것을 특징으로 한다. 여기에서 상기 깊이는 단계적으로 또는 순차적으로 깊어질 수 있다.

도 1a는 종래 음극(110)/분리막(120)/양극(130)이 순차적으로 적층된 전극 조립체(100)를 개략적으로 나타낸 것이다. 또한, 도 1b는 도 1a의 A-A'의 단면을 나타낸 것으로 전지 내부의 리튬 이온의 이동 방향(121)과 리튬 석출물의 성장 방향(151)을 도식화하여 설명한 것이다. 통상적으로 전지의 중앙부는 전지 외부와 가까운 외측부에 비해 공간적 특성상 가스 트랩(gas trap)(160)이 발생하기 쉽다. 따라서 외측부에 비해 중앙부에 더 많은 금속 리튬(150)이 석출되므로 전지 열화가 가속화되는 문제가 있다. 이에 본 발명은 전지 중앙부에서 가스 트랩이 형성되는 것을 최소화하기 위해 가스 배출 유로를 구비한 전극을 고안하였으며 가스 배출을 촉진하기 위해 유로의 높낮이에 구배를 두었다.

본원 발명에 있어서 상기 전극은 양극 또는 음극인 것으로서 특별히 어느 하나의 극성을 갖는 전극에 한정되지 않는다. 후술하는 바와 같이 상기 전극을 포함하는 전극 조립체에서 양극 및/또는 음극은 본 발명에 따른 가스 유로가 구비된 전극일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 집전체는 양극 집전체 또는 음극 집전체일 수 있다. 상기 집전체는 당해 전지에 전기화학적 변화를 유발하지 않고 안정해야 한다. 집전체가 부식될 경우, 전지 사이클이 반복됨에 따라 충분한 집전능력을 발휘할 수 없으므로 전지의 수명을 단축시키게 된다. 상기 집전체로는 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리 또는 스테인리스스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴합금, 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자, 또는 전도성 고분자를 사용하여 제조된 것이 바람직하다.

상기 전극 합제층은 전극 활물질과 바인더 고분자를 포함하는 혼합물이며, 상기 혼합물은 추가적으로 도전재 등 전극의 성능에 도움이 될 수 있는 성분들이 더 포함될 수 있다. 상기 전극 활물질은 음극 활물질 또는 양극 활물질인 것으로 제조 목적에 부합하는 전극의 극성에 따른다.

상기 전극이 양극인 경우 상기 전극은 양극 활물질로 하기 화학식 1을 충족하는 화합물을 포함할 수 있다.

[화학식 1]

xLi₂MnO_{3 ·}(1-x)Li_yMO₂

상기 화학식 1에서, 0≤x≤1이고, 0.9≤y≤1.2이며, M은 Mn, Ni, Co, Fe, Cr, V, Cu, Zn, Ti, Al, Mg 및 B로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이다. 이를 테면, 양극 활물질로서, Li₂MnO₃ 및 LiMO₂ 등이 포함될 수 있다(여기에서, M은, Ni, Co, 또는 Mn이다). 이는, 상기 Li₂MnO₃ 및 LiMO₂를 포함하는 양극 활물질이 초기 충방전 과정에서 다량의 가스가 발생하므로, 이러한 양극 활물질을 쓰는데 전극 또는 전지에서 본 발명의 가스 배출 유로가 더 유용하게 작용한다.

도 2는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 전극(음극, 110)의 평면도를 도시한 것이다. 본 명세서에서 음극을 예로 들어 설명하였으나 본 발명에 따른 가스 배출 유로가 형성된 전극은 음극 및/또는 양극일 수 있다. 상기 도 2를 참조하면, 상기 음극(110)은 집전체(111) 및 상기 집전체의 적어도 일측면에 형성된 전극 합제층(112)을 포함한다. 본 발명에 있어서, 상기 전극은 표면, 즉 전극 합제층의 표면에 직선상의 가스 배출 유로(113)가 형성되어 있다. 도 2에서는 직선상의 가스 배출 유로가 예시되어 있으나 상기 가스 배출 유로는 곡선상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 선형의 유로(113)는 적어도 일측 말단이 전극의 측면부까지 연장된다. 이는 전극 조립체 내부에서 발생된 가스가 전극 조립체 외부로 쉽게 배출되도록 하기 위한 것이다.

본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 유로의 단면은 아치형, 사각형, 반원형, 역삼각형 및 역사다리꼴형 중 어느 하나일 수 있다. 여기에서 상기 단면은 전극 표면에 대한 수직인 단면인 것이다. 도 3은 상기 유로의 단면의 구체적인 일 실시양태를 도식화하여 나타낸 것이다.

상기 가스 배출 유로의 단면 형상은, 특별히 제한되지 않지만, 아치형으로 형성된 것이 바람직하다. 전극조립체는 다수의 양극, 음극, 및 분리막의 적층체일 수 있는데, 이 경우 각각의 적층체에 하중이 부가되고, 슬러리층의 모서리부에 응력이 집중되어, 모서리부가 박리될 우려도 있기 때문이다.

상기 가스 배출 유로는 전극 표면의 중심부에서 외측부에 가까울수록 유로의 깊이가 깊어진다. 상기 깊이는 단계적 또는 순차적인 구배를 나타낼 수 있다. 도 4a는 도 2의 B-B'에 따른 단면을 도시한 것이다. 상기 도 4a를 참조하면 가스 배출 유로(113A)에서 중심부측의 깊이(d2)가 외측부(또는 측단부)의 깊이(d1)에 비해 낮도록 형성된다. 여기에서 상기 외측부(또는 측단부)의 깊이(d1)는 음극 합제층(112)의 높이와 같을 수 있다. 즉, 상기 유로에서 전극 표면의 외측부에 위치하는 일부분은 전극 합제가 도포되지 않고 집전체의 표면에 노출될 수 있다.

도 4b는 유로(113b)의 깊이가 단계적으로 변화되는 것을 도식화하여 나타낸 것이다. 상기 도 4b를 참조하면 외측부의 일부분(Z 부분)은 집전체 표면에 음극 합제층(112b)이 도포되지 않고 집전체(111b) 표면이 노출되어 있다.

한편, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서 상기 전극에 형성되는 유로 중 적어도 하나의 유로는 전극 표면의 중심부를 지나는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이 전극은 외측부에 비해 중앙부에 더 많은 금속 리튬이 석출되므로 유로가 전지 표면의 중앙부를 지나도록 형성함으로써 리튬 금속의 석출을 최소활 수 있다.

상기 가스 배출 유로는 양극 슬러리를 집전체에 도포할 때에 형성할 수 있다. 즉, 전극은 통상적으로 전극 활물질, 바인더, 도전재, 용매 등을 혼련한 슬러리를 금속 집전체 상에 도포·건조하여 제작되는데, 상기 슬러리를 도포·건조되는 때에 전극 슬러리을 고르게 펴지 않고 적당한 정도의 점도를 가진 상태에서 고랑 (furrow) 모양의 홈을 형성하는 방식으로 상기 가스 배출 유로를 형성시킬 수 있다.

상기 가스 배출 유로는 전극 슬러리를 건조시키는 과정에서 적당한 점도를 가질 때 형성하는 것이 바람직하고, 이 때에 평평한 전극 슬러리를 블레이드 등으로 긁어내는 방법을 사용하거나, 요홈이 형성된 스템프로 찍어 형성하는 방법 등을, 제한없이, 사용할 수 있다.

특히, 본 발명은 특히 전극 합제층의 면적이 225 ㎠ 이상인 대면적 스택/폴딩형 전지에 있어서 유용하다. 전지의 면적이 대면적일수록 디개싱 공정이 고르게 진행되지 않아, 내부에 가스가 남아 있을 가능성이 높고, 이는 전지성능의 열화를 일으키는 원인이 될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 있어서, 상기 가스 배출 유로는 전극 합제층의 면적 225 ㎠ 당 하나 정도씩 형성하는 것이 적당하다.

본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 가스 배출 유로는 전극 표면상에 둘 이상이 형성될 수 있으며, 이때 각 유로는 서로 교차하지 않을 수 있다. 또는 각 유로는 하나 이상의 다른 유로와 교차될 수 있다.

도 5는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 전극(음극 110c)를 도식화하여 나타낸 것이다. 상기 도 5에 따르면, 집전체(111c)의 표면에 전극 합제층(112c)이 형성되어 있으며, 상기 합제층(112c)은 두 개의 가스 배출 유로(113c)가 형성되어 있고 이들 가스 배출 유로는 X자의 형상으로 서로 교차되어 있다. 이렇게 가스 배출 유로가 교차되는 경우 상기 교차 부분은 전극 표면의 중심부에 위치하는 것이 바람직하다.

본원 발명에 있어서, 상기 전극 표면의 중심부는, 예를 들어 전극의 평면 모양이 장방형인 경우에는 모서리를 한 점으로 하는 두 대각선이 교차하는 지점을 포함하는 부분으로 대각선 교차점을 중심으로 소정 반경을 갖는 전극 표면의 내측에 위치하는 원(circle)일 수 있다. 또는 상기 중심부는 실험적으로 결정될 수 있다. 도 6은 가스 배출 유로가 형성되지 않은 전극을 포함하는 전지를 이용하여 소정 사이클 충방전을 수행한 후 분해한 것으로서, 전극의 표면에 금속 리튬이 석출된 것을 확인할 수 있다. 이러한 실험으로부터 리튬 석출이 발생되는 부분을 포함하는 일정 면적을 전극 표면의 중심부로 할 수 있다.

또한, 본 발명은 전극 조립체를 제공한다. 상기 전극 조립체는 음극, 양극 및 분리막을 포함하고, 상기 음극과 양극이 분리막을 게재하여 하나 이상 적층되어 있는 것이다. 여기에서 상기 적층된 하나 이상의 음극 및 하나 이상의 양극 중 적어도 하나는 전극 표면에 하나 이상의 가스 배출 유로가 형성된 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 전극 조립체는 스택/폴딩형 전극 조립체 또는 스택형 전극 조립체인 것이다.

본 발명에 따른 실시예에서 집전체 상에 양극 또는 음극 슬러리가 코팅되는 구조의 전극조립체는 다수의 전극 탭들을 연결하여 양극과 음극을 구성하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 스택형 구조와 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 상기 스택형 구조는 당업계에 널리 공지되어 있으므로, 본 명세서에서 그에 대한 설명은 생략한다. 상기 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원 명세서의 내용 전부는 발명을 위해 전부 참조될 수 있다.

본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 전극 조립체에서 상단 또는 하단의 최표층에 배치되는 적어도 하나의 전극은 가스 배출 유로가 형성되는 것이다.

또한, 본 발명은 전기화학소자를 제공한다. 상기 전기화학소자는 하나 이상의 본전극을 포함하는 전지 모듈 및 다수의 전지 모듈을 포함하는 전지팩으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 하나 이상의 전극 중 적어도 하나는 본 발명의 특징을 갖는 가스 배출 유로가 형성된 것이다.

이 외에 본 명세서에서 상술하지 않은 전지 소자들, 예를 들어 분리막, 음극, 전해질 등에 대해서는 전지 분야에서 통상적으로 사용되는 소자들이 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

실시예

1. 실시예

인조 흑연, 카본 블랙, CMC, SBR을 96:1:1:2의 중량비로 물과 혼합하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 100㎛의 두께로 구리 호일(Cu-foil) 위에 코팅하여 얇은 극판의 형태로 만든 후 135 ℃에서 3시간 이상 건조시켰다. 다음으로 상기 건조된 음극 표면을 X자 형상의 돌출부가 구비된 지그를 이용하여 압연(pressing)하여 가스 배출 유로가 형성된 음극을 제조하였다. 상기 유로에서 중앙부측 최대 깊이가 5㎛이며, 측단부측의 최대 깊이는 12㎛였으며, 상기 깊이는 측단부로 갈수록 점진적으로 증가하였다. 상기 가스 배출유로는 도 5에 예시된 형상과 동일하게 하였다.

LiNi_{0 . 5}Mn_{0 . 3}Co_{0 . 2}O₂, 폴리비닐리덴플루오라이드 및 카본 블랙을 96:2:2의 중량비로 N-메틸피롤리돈과 혼합하여 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 70㎛의 두께로 알루미늄 박막에 코팅하여 얇은 극판 형태로 만든 후 135 ℃에서 3시간 이상 건조시켰다. 다음으로 상기 건조된 양극을 X자 형상의 돌출부가 구비된 지그를 이용하여 압연(pressing)하여 가스 배출 유로가 형성된 양극을 제조하였다. 상기 유로에서 중앙부측 최대 깊이가 5㎛이며, 측단부측의 최대 깊이는 12㎛였으며, 상기 깊이는 측단부로 갈수록 점진적으로 증가하였다. 상기 가스 배출유로는 도 5에 예시된 형상과 동일하게 하였다. 전해액은 에틸렌카보네이트와 에틸메틸카보네이트를 3:7의 vol%비율로 혼합하고 여기에 LiPF₆을 1.0M 농도로 첨가하였다. 또한, 비닐렌카보네이트, 프로판 설톤, 에틸렌 설페이트를 전해액 총량 대비 각각 1.0 중량%로 첨가하였다.

상기에서 제조된 음극, 양극 및 전해액을 이용하여 1000mAh 용량의 전지를 제조하였다. 분리막으로는 Senior SD216C을 사용하였다.

2. 비교예

음극과 양극 표면에 가스 배출유로를 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.

3. 사이클 성능 실험

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 전지를 이용하여 사이클 실험을 수행하였다. 상기 전지를 25℃의 온도 조건에서 CC-CV모드로 1C rate/3.0V~4.2V의 조건으로 100회 충방전 하였다.

도 7 및 도 8은 실시예(B)와 비교예(A)에서 제조된 전지의 100회 사이클 후 용량 유지율을 나타낸 것이다. 이에 따르면 실시예(B)의 전지는 초기 용량(1회 충전) 대비 96.9%의 용량 유지율을 나타내고 있으며, 비교예(A)의 전지는 실시예의 전지에 비해 낮은 용량 유지율을 보였다. 따라서, 실시예의 전지는 전극 내부에서 발생된 가스가 전극 조립체 가스 트랩을 생성하지 않고 외부로 배출되므로 리튬 석출이 적고 전극 활물질의 열화가 방지되어 가스 배출 유로가 구비되지 않은 전지에 비해 사이클 특성이 우수하다.

Claims (11)

1. 집전체; 및 상기 집전체 상에 형성된 전극 합제층;을 포함하며,
   상기 전극 합제층은 표면에 고랑(furrow) 형상의 하나 이상의 가스 배출 유로가 형성되며,
   상기 가스 배출 유로는 전극 표면의 중심부에서 외측부에 가까울수록 유로의 깊이가 단계적으로 또는 순차적으로 깊어지는 것인 이차 전지용 전극.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 유로는 선형으로 형성되며 가스 배출 유로가 외부와 연통되도록 하기 위해 이의 적어도 일측 말단이 전극 측면부까지 연장되는 것인 이차 전지용 전극.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 가스 배출 유로의 수직 단면은 아치형, 사각형, 반원형, 역삼각형 또는 역사다리꼴형인 것인 이차 전지용 전극.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 유로의 최대 깊이는 전극 합제층의 높이와 같은 것인, 이차 전지용 전극.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 가스 배출 유로는 둘 이상이 형성되며, 각 유로는 하나 이상의 다른 유로와 교차하는 것인 이차 전지용 전극.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 가스 배출 유로가 전극 표면에 둘 형성되며, 상기 두 개의 유로가 X자 형상으로 교차하는 것인, 이차 전지용 전극.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 교차된 부분이 전극 표면의 중심부측에 배치되는 것인, 이차 전지용 전극.
   
8. 음극, 양극 및 분리막을 포함하고, 상기 음극과 양극이 분리막을 게재하여 하나 이상 적층되어 있고, 적층된 하나 이상의 음극 및 하나 이상의 양극 중 적어도 하나가 제1항에 따른 가스 배출 유로가 형성된 것인, 전극 조립체.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 전극 조립체는 스택/폴딩형 전극 조립체 또는 스택형 전극 조립체인 것인, 전극 조립체.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 전극 조립체에서 최표층에 배치되는 전극이 가스 배출 유로가 형성된 것인, 전극 조립체.
    
11. 하나 이상의 전극을 포함하는 전지 모듈 및 다수의 전지 모듈을 포함하는 전지팩으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 하나 이상의 전극 중 적어도 하나는 제1항에 따른 전극인 것인, 전기화학소자.

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