KR102168230B1 - Electrode collector improving battery safety, method of making the same and electrode comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 10 내지 20 ㎛ 두께를 갖고, 복수개의 오목부가 형성되어 있으며, 상기 오목부는 깊이 1 내지 3 ㎛ 및 지름 1 내지 6 ㎛의 반구 (semi-sphere) 형태를 가지며, 상기 오목부는 인접 오목부와 1 내지 100 ㎛ 범위로 이격되게 배치되어 있으며, 상기 전극집전체는 오목부 형성 이전의 전극집전체 대비 1/10 내지 9/10 범위에 해당하는 연신율을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극집전체에 관한 것으로, 이러한 전극집전체를 포함하여 이루어진 전극은 네일 관통시에 향상된 안전성을 갖게 된다.The present invention has a thickness of 10 to 20 μm, a plurality of recesses are formed, the recesses have a semi-sphere shape having a depth of 1 to 3 μm and a diameter of 1 to 6 μm, and the recesses are adjacent recesses And 1 to 100 μm, and the electrode current collector has an elongation in the range of 1/10 to 9/10 compared to the current collector before the formation of the concave portion. In relation to, an electrode including such an electrode current collector has improved safety when penetrating a nail.
Description
본 발명은 전지 안전성을 향상시키는 전극 집전체, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 전극에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 네일(nail)에 대한 양극의 관통 저항을 증가시킴으로써 이차전지의 내부단락 안전성을 확보한 발명이다.The present invention relates to an electrode current collector that improves battery safety, a method for manufacturing the same, and an electrode including the same. More specifically, the internal short-circuit safety of a secondary battery is secured by increasing the penetration resistance of the positive electrode to a nail. It is an invention.
전지에너지는 에너지 밀도에 비례하여 증가하며, 이차전지의 고에너지화가 진행될수록 전지의 안전성은 위협을 받게 된다. 평상시 양극과 음극에 저장된 전기에너지는 세퍼레이터에 의해 분리되어 안전하게 유지되지만, 각종 원인에 의해 양극과 음극 사이에서 단락이 유발되어 저장된 전기에너지가 짧은 시간동안에 방출되게 되면서 발열/발화 혹은 열폭주(thermal runaway) 현상을 일으키게 된다. 특히, 리튬 이차전지는 네일 관통에 의한 내부단락으로 짧은 시간 내에 전지 내부에 큰 전류가 흐르게 될 경우, 발열에 의해 전지가 가열되면서 발화/폭발할 위험성이 있다.The battery energy increases in proportion to the energy density, and as the secondary battery becomes more energized, the safety of the battery is threatened. Normally, the electrical energy stored in the anode and the cathode is separated by a separator and safely maintained, but a short circuit is caused between the anode and the cathode due to various causes, and the stored electrical energy is released for a short time, resulting in heat/ignition or thermal runaway. ) Phenomenon. In particular, when a large current flows inside the battery within a short time due to an internal short circuit caused by nail penetration, the lithium secondary battery has a risk of ignition/explosion as the battery is heated by heat generation.
이에, 네일 관통에 대한 안전성을 확보하기 위한 노력의 일환으로서, 셀 바깥쪽에 소자를 장착하여 사용하는 방법과, 셀 내부의 물질을 이용하는 방법이 주로 연구, 적용되어 왔다. 온도의 변화를 이용한 PTC 소자, 전압의 변화를 이용하는 보호회로, 전지 내압의 변화를 이용하는 안전 벤트(Safety vent) 등이 전자에 해당하고, 전지 내부의 온도나 전압 변화에 따라 물리적, 화학적, 전기화학적으로 변화할 수 있는 물질을 첨가하는 것이 후자에 속한다.Accordingly, as part of efforts to secure safety against nail penetration, a method of mounting and using an element outside the cell and a method of using a material inside the cell have been mainly studied and applied. PTC elements using changes in temperature, protection circuits using changes in voltage, and safety vents using changes in battery internal pressure are electrons, and physical, chemical, and electrochemical according to changes in temperature or voltage inside the battery. The latter belongs to the addition of substances that can be changed into.
네일 관통에 대한 안전성을 확보하는 또 다른 방법으로는 양극과 음극의 연신율을 조정하는 방법이 있다. 그런데, 음극 집전체로 일반적으로 사용되는 구리 호일(Cu foil)은 상당히 큰 연신율을 갖기 때문에 목적하는 수준의 연신율을 갖는 양극 집전체와 음극 집전체로 가공하는 것은 매우 곤란하다고 알려져 있다. 이에 반해, 세퍼레이터는 네일 관통에 대한 안전성을 확보하기 위해 전극 집전체에 비해 높은 연신율을 갖는 것이 바람직함에도 불구하고, 전극 집전체, 특히, 음극 집전체보다 낮은 연신율을 가져서 네일 관통시에 양극과 음극이 접촉할 가능성이 더욱 높아지는 문제가 있다.Another way to ensure safety against nail penetration is to adjust the elongation of the positive and negative electrodes. However, since a copper foil generally used as a negative electrode current collector has a considerably large elongation, it is known that it is very difficult to process the positive electrode current collector and the negative electrode current collector having a desired level of elongation. On the other hand, although it is preferable that the separator has a higher elongation than the electrode current collector in order to ensure safety against nail penetration, the electrode current collector, in particular, has a lower elongation than the negative electrode current collector. There is a problem that the possibility of this contact is further increased.
따라서, 네일 관통에 대한 안전성을 확보하는 일환으로, 전극 집전체를 비롯한 전극의 연신율을 조정할 필요가 있다. Therefore, in order to secure safety against nail penetration, it is necessary to adjust the elongation of the electrode including the electrode current collector.
본 발명에서 해결하고자 하는 일 과제는, 전극, 보다 구체적으로는 양극과 음극의 연신율을 조절함으로써 네일 관통에 내부단락 저항을 조절하여 쇼트에 의한 발열/발화 문제점을 해결할 수 있는 전극 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.One problem to be solved in the present invention is an electrode, more specifically, an electrode capable of solving the heating/ignition problem caused by a short by controlling the elongation of the anode and the cathode by controlling the internal short-circuit resistance through the nail, and a secondary including the same. It is to provide a battery.
본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는, 양극 집전체와 음극 집전체 각각의 연신율을 조절함으로써 전지의 네일 관통에 대한 안전성을 향상시키는 것이다. Another problem to be solved in the present invention is to improve the safety against nail penetration of the battery by adjusting the elongation of each of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector.
전술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시양태에 따르면, 이차전지용 전극집전체로서, 10 내지 20 ㎛ 두께를 갖고, 복수개의 오목부가 형성되어 있으며, 상기 오목부는 깊이 1 내지 3 ㎛ 및 지름 1 내지 6 ㎛의 반구 (semi-sphere) 형태를 가지며, 상기 오목부는 인접 오목부와 1 내지 100 ㎛ 범위로 이격되게 배치되어 있으며, 상기 전극집전체는 오목부 형성 이전의 전극집전체 대비 1/10 내지 9/10 범위에 해당하는 연신율을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극집전체가 제공된다.In order to solve the above-described problem, according to an embodiment of the present invention, as an electrode current collector for a secondary battery, it has a thickness of 10 to 20 μm, and a plurality of recesses are formed, and the recesses have a depth of 1 to 3 μm and a diameter It has a semi-sphere shape of 1 to 6 µm, and the concave portion is arranged to be spaced apart from the adjacent concave portion in a range of 1 to 100 µm, and the electrode current collector is 1/ There is provided an electrode current collector for a secondary battery, characterized in that it has an elongation in the range of 10 to 9/10.
상기 전극집전체는 알루미늄 호일(aluminium foil)의 양극 집전체이고, 1.5 내지 2.7 % 범위의 연신율을 가질 수 있다.The electrode current collector is a positive electrode current collector of aluminum foil, and may have an elongation in the range of 1.5 to 2.7%.
또는, 상기 전극집전체는 구리 호일(copper foil)의 음극 집전체이고, 6.0 내지 7.0 % 범위의 연신율을 가질 수 있다.Alternatively, the electrode current collector is a negative electrode current collector made of a copper foil, and may have an elongation in the range of 6.0 to 7.0%.
본 발명의 다른 실시양태에 따르면, 전술한 양극 집전체; 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 형성된 양극 활물질층을 포함하고, 양극 연신율이 0.5 내지 1.0%인 것을 특징으로 하는 양극이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, the above-described positive electrode current collector; And a positive electrode active material layer formed on at least one surface of the positive electrode current collector, and a positive electrode elongation of 0.5 to 1.0% is provided.
또는, 본 발명의 다른 실시양태에 따르면, 전술한 음극 집전체; 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 형성된 음극 활물질층을 포함하고, 음극 연신율이 2.0 내지 3.5%인 것을 특징으로 하는 음극이 제공된다.Or, according to another embodiment of the present invention, the above-described negative electrode current collector; And a negative electrode active material layer formed on at least one surface of the negative electrode current collector, and an elongation of the negative electrode is 2.0 to 3.5%.
상기 활물질층을 구성하는 활물질은 상기 전극 집전체보다 큰 경도를 갖고, 전체 활물질중 2 내지 6 ㎛ 입경을 갖는 미립 활물질이 70 내지 100 체적%를 차지할 수 있다. The active material constituting the active material layer may have a hardness greater than that of the electrode current collector, and a particulate active material having a particle diameter of 2 to 6 μm may occupy 70 to 100% by volume of the total active material.
또한, 상기 활물질층의 공극도는 23~35% 범위일 수 있다.In addition, the porosity of the active material layer may be in the range of 23 to 35%.
또한, 전극 집전체에 형성된 오목부는 미립 활물질 압입에 의해 형성된 것일 수 있다.In addition, the concave portion formed in the electrode current collector may be formed by press-fitting a fine active material.
본 발명의 다른 실시양태에 따르면, 복수개의 돌기가 형성되어 있는 롤러를 프레스 선압 1 내지 5 톤(ton)이 되도록 전극집전체에 프레스하고, 이 때 상기 돌기는 높이 1 내지 3 ㎛ 및 지름 1 내지 6 ㎛의 볼록한 반구 (semi-sphere) 형태이고 인접 돌기와 1 내지 100 ㎛ 범위로 이격되게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 단계를 포함하는 전극집전체의 제조 방법이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, a roller having a plurality of protrusions is pressed against the electrode current collector so that the press line pressure is 1 to 5 tons, and the protrusions have a height of 1 to 3 µm and a diameter of 1 to There is provided a method of manufacturing an electrode current collector comprising a step, characterized in that it is in the shape of a 6 µm convex semi-sphere and is spaced apart from adjacent protrusions in a range of 1 to 100 µm.
본 발명의 또 다른 실시양태에 따르면, 활물질, 전극 바인더 고분자 및 유기용매로 이루어진 활물질 슬러리를 전극 집전체에 도포하되, 이 때, 상기 활물질은 전극 집전체보다 큰 경도를 갖고 전체 활물질중 70 내지 100체적%가 2 내지 6 ㎛ 입경을 갖는 단계; 및 상기 전극집전체에 도포된 활물질 슬러리를 건조하고 1 내지 5 ton의 선압으로 라미네이션하는 단계를 포함하는 전극의 제조방법이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, an active material slurry consisting of an active material, an electrode binder polymer, and an organic solvent is applied to an electrode current collector, wherein the active material has a hardness greater than that of the electrode current collector and 70 to 100 of the total active materials. Volume% having a particle diameter of 2 to 6 μm; And drying the active material slurry applied to the electrode current collector and laminating at a linear pressure of 1 to 5 tons.
본 발명의 일 양태에 따르면, 양극 및 음극의 연신율을 최적 범위로 조절함으로써 네일 관통에 의한 네일을 통한 간접단락과 네일을 통하지 않은 직접단락에 의한 양극 집전체와 음극 집전체 간의 내부 단락 및 양극 집전체와 음극 활물질층 간의 내부 단락을 방지하거나 혹은 현저하게 감소시킬 수 있다.According to an aspect of the present invention, by adjusting the elongation of the positive electrode and the negative electrode to an optimum range, an indirect short circuit through the nail through the nail and an internal short circuit between the positive electrode current collector and the negative electrode current collector due to a direct short not through the nail and It is possible to prevent or significantly reduce the internal short circuit between the entire and the negative active material layer.
특히, 본 발명의 일 양태에 따르면 양극 집전체뿐만 아니라 음극 집전체의 연신율 또한 일정 범위로 조정할 수 있다.In particular, according to an aspect of the present invention, the elongation of not only the positive electrode current collector but also the negative electrode current collector may be adjusted within a certain range.
따라서, 내부 단락에 의한 이차전지의 발열 및 발화 현상이 방지될 수 있어, 이차전지의 안전성이 크게 향상될 수 있다.Accordingly, heat generation and ignition of the secondary battery due to an internal short circuit can be prevented, and the safety of the secondary battery can be greatly improved.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 안된다.
도 1은 본 발명의 일 양태에서 사용되는 롤러 표면을 나타낸 단면도이다.
도 2는 돌기가 형성되어 있는 롤러를 전극 집전체에 적용하는 본 발명의 일 양태를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 특정 입경의 활물질에 의해 전극 집전체에 오목부가 형성된 전극 단면을 나타낸 SEM 이미지이다.The following drawings attached to the present specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention together with the content of the above-described invention, so the present invention is limited to the matters described in such drawings. It is limited and should not be interpreted
1 is a cross-sectional view showing the surface of a roller used in an aspect of the present invention.
2 schematically shows an aspect of the present invention in which a roller having a projection is applied to an electrode current collector.
3 is an SEM image showing a cross section of an electrode in which a concave portion is formed in an electrode current collector by an active material having a specific particle diameter.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 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 실시예 및 도면에 기재된 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 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as being limited to their usual or dictionary meanings, and the inventors appropriately explain the concept of terms in order to explain their own invention in the best way. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations described in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention, and do not represent all the technical spirit of the present invention, and thus various equivalents that can replace them at the time of application It should be understood that there may be water and variations.
본 발명의 일 측면에 따르면, 이차전지용 전극 집전체로서, 10 내지 20 ㎛ 두께를 갖고, 복수개의 오목부가 형성되어 있으며, 상기 오목부는 깊이 1 내지 3 ㎛ 및 직경 1 내지 6 ㎛의 반구 (semi-sphere) 형태를 가지며, 상기 오목부는 인접 오목부와 1 내지 100 ㎛ 범위로 이격되게 배치되어 있고, 상기 전극집전체는 오목부 형성 이전의 전극집전체 대비 1/10 내지 9/10 범위의 연신율을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 집전체가 제공된다.According to an aspect of the present invention, as an electrode current collector for a secondary battery, the electrode current collector has a thickness of 10 to 20 μm, and a plurality of recesses are formed, and the recesses are semi-spheres having a depth of 1 to 3 μm and a diameter of 1 to 6 μm. sphere) shape, and the concave portions are arranged to be spaced apart from adjacent concave portions in a range of 1 to 100 μm, and the electrode current collector has an elongation in the range of 1/10 to 9/10 compared to the current collector before formation of the concave portion. There is provided an electrode current collector for a secondary battery, characterized in that it has.
본원 명세서에서 '연신율'은 '전극' 또는 '전극집전체'와 관련하여 사용되며, 하기 수학식 1과 같이 정의되며, 구체적인 측정 조건 및 방법을 위해서는 ISO527에 기술된 측정법이 이용된다:In the present specification,'elongation' is used in relation to'electrode' or'electrode current collector', and is defined as Equation 1 below, and for specific measurement conditions and methods, the measurement method described in ISO527 is used:
상기 연신율은 종방향 연신율, 횡방향 연신율을 모두 포함하는 개념의 것이다. 상기 연신율은 종방향 연신율과 횡방향 연신율이 다를 수 있는데, 이 경우 종방향 연신율과 횡방향 연신율을 산술평균한 값을 연신율로 정의한다. 예를 들어, 양극의 종방향 연신율이 50%, 횡방향 연신율이 100%인 경우, 양극의 연신율은 75% 이다.The elongation is of a concept including both a longitudinal elongation and a transverse elongation. The elongation may be different from the elongation in the longitudinal direction and the elongation in the transverse direction. In this case, a value obtained by arithmetic average of the longitudinal elongation and the transverse elongation is defined as the elongation. For example, when the longitudinal elongation of the positive electrode is 50% and the transverse elongation is 100%, the elongation of the positive electrode is 75%.
전극 집전체의 연신율은 전극 집전체의 소재, 두께 및 강도에 따라 달라질 수 있으며, 그 밖에도 전극 집전체의 제조방법 및 가공처리 방법 등에 의해서도 달라질 수 있는데, 본 발명에서는 일정 두께를 갖는 전극 집전체를 돌기가 형성된 롤러로 압연함으로써 전극 집전체에 저연신, 고강도 특성을 부여하는 것을 특징으로 한다.The elongation rate of the electrode current collector may vary depending on the material, thickness, and strength of the electrode current collector, and may also vary depending on the manufacturing method and processing method of the electrode current collector. In the present invention, an electrode current collector having a predetermined thickness is used. It is characterized by imparting low elongation and high strength characteristics to the electrode current collector by rolling with a roller having a projection.
보다 구체적으로, 본 발명에서 사용가능한 양극 집전체는 6 ㎛ 내지 20 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 양극 집전체가 상기 하한치보다 얇게 제작되는 경우에는 셀 저항 저하 및 압연 공정시 파단을 야기할 수 있으며, 동시에 목적하는 하한치 연신율보다 낮아질 수 있으며, 상기 상한치보다 두껍게 제작되는 경우에는 목적하는 연신율을 확보할 수 없으며 전극의 체적이 불필요하게 증가하게 된다.More specifically, the positive electrode current collector usable in the present invention may have a thickness of 6 μm to 20 μm. If the positive electrode current collector is manufactured thinner than the above lower limit, it may cause cell resistance to decrease and fracture during the rolling process, and at the same time, it may be lower than the desired lower limit elongation. If it is manufactured thicker than the upper limit, the desired elongation may be secured. And the volume of the electrode unnecessarily increases.
또한, 양극 집전체의 소재로는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 알루미늄이 바람직하게 사용될 수 있다. 또한, 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.In addition, the material of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes to the battery, for example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel. Carbon, nickel, titanium, silver, or the like may be used on the surface of the steel. Aluminum can be preferably used. In addition, the current collector can increase the adhesion of the positive electrode active material by forming fine irregularities on its surface, and various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics are possible.
음극 집전체는 통상적으로 약 3 내지 30 ㎛의 두께로 만들어질 수 있다. 음극 집전체가 상기 하한치보다 얇게 제작되는 경우에는 셀 저항 저하 및 압연 공정시 파단을 야기할 수 있으며, 동시에 목적하는 하한치 연신율보다 낮아질 수 있으며, 상기 상한치보다 두껍게 제작되는 경우에는 목적하는 연신율을 확보할 수 없으며 전극의 체적이 불필요하게 증가하게 된다.The negative electrode current collector may be generally made to have a thickness of about 3 to 30 μm. If the negative electrode current collector is manufactured thinner than the lower limit, it may cause a decrease in cell resistance and breakage during the rolling process, and at the same time, it may be lower than the desired lower limit elongation. If it is manufactured thicker than the upper limit, the desired elongation may be secured. And the volume of the electrode unnecessarily increases.
음극 집전체의 소재로는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 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 material of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes to the battery. For example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel Surface treatment with carbon, nickel, titanium, silver or the like, aluminum-cadmium alloy, etc. may be used. Also, like the positive electrode current collector, it is possible to enhance the bonding strength of the negative electrode active material by forming fine irregularities on the surface thereof, and it may be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics.
전극 집전체에 형성된 오목부가 전술한 범위의 깊이, 직경 및 이격 거리를 갖는 경우에, 전극 집전체가 목적하는 연신율, 보다 구체적으로는 오목부 패턴이 형성되기 이전의 전극집전체 연신율의 1/10 내지 9/10 범위에 해당하는 연신율을 갖게 된다. 오목부 패턴이 형성되기 전의 연신율보다 현저하게 적은 연신율을 갖는 경우, 즉, 10% 미만의 연신율을 갖는 경우에는 집전체 파단으로 인해 전극 활물질층 슬러리의 코팅이 불가능하게 되고, 연신율 차이가 거의 없는 경우, 즉, 9/10 보다 큰 연신율을 갖는 경우에는 네일관통 안정성을 갖지 않게 된다.When the concave portion formed in the electrode current collector has the depth, diameter, and separation distance in the above-described range, the elongation desired by the electrode current collector, more specifically, 1/10 of the elongation rate of the electrode current collector before the concave portion pattern is formed. It has an elongation corresponding to the range of 9/10. When the elongation is significantly less than the elongation before the concave pattern is formed, that is, when the elongation is less than 10%, the electrode active material layer slurry coating becomes impossible due to the breakage of the current collector, and there is little difference in the elongation rate. That is, if it has an elongation greater than 9/10, it does not have nail penetration stability.
본 발명의 일 양태에 따라 양극이 0.5 내지 1.0% 범위의 연신율을 갖는 경우에는 네일(nail) 관통시에 네일에 대한 양극의 관통 저항에 의해 내부 단락이 발생할 가능성이 낮아지게 된다. 양극이 상기 수치범위의 연신율을 가짐으로써 내부 단락이 방지/감소되는 효과는 음극 집전체가 높은 연신율, 예컨대, 15% 정도의 연신율을 갖는 경우 및/또는 세퍼레이터가 낮은 연신율, 예컨대, 6% 정도의 연신율을 갖는 경우에도 얻어질 수 있다. 만약, 상기 양극의 연신율이 0.5%보다 낮은 경우에는 압연 공정에서 양극이 파단될 수 있고, 1.0%보다 높은 경우에는 네일 관통시에 양극이 관통 방향으로 함께 연신되어 음극 집전체 혹은 음극 활물질과 접촉되어서 내부 단락을 유발시킬 수 있고, 또는 네일과 계속 직접 닿아 있어 네일을 통해 음극 집전체 혹은 음극 활물질과 접촉되어서 내부 단락을 유발시킬 수 있는 문제점이 있다.According to an aspect of the present invention, when the positive electrode has an elongation in the range of 0.5 to 1.0%, the possibility of an internal short circuit is lowered due to the penetration resistance of the positive electrode to the nail when penetrating the nail. The effect of preventing/reducing the internal short circuit by the positive electrode having an elongation in the above numerical range is that when the negative electrode current collector has a high elongation, e.g., about 15%, and/or the separator has a low elongation, e.g., about 6%. It can also be obtained when it has an elongation. If the elongation of the positive electrode is lower than 0.5%, the positive electrode may be broken in the rolling process, and if it is higher than 1.0%, the positive electrode is stretched together in the through direction when penetrating the nail to come into contact with the negative current collector or the negative active material. There is a problem in that an internal short circuit may be caused, or an internal short circuit may be caused by contacting the negative electrode current collector or the negative electrode active material through the nail because it is in direct contact with the nail.
이를 위해, 본 발명의 일 양태에 따르면, 양극 집전체는 1.5 내지 2.7%의 연신율을 가질 수 있다. 양극 집전체의 연신율이 1.5% 미만으로 되면 셀 제작 과정중 파단현상이 일어나게 되고, 2.7%보다 크면 네일 관통 안정성을 가지지 못하게 된다.To this end, according to an aspect of the present invention, the positive electrode current collector may have an elongation of 1.5 to 2.7%. If the elongation of the positive electrode current collector is less than 1.5%, a rupture phenomenon occurs during the cell manufacturing process, and if it is greater than 2.7%, nail penetration stability will not be achieved.
또한, 본 발명의 일 양태에 따르면, 음극은 2.0 내지 3.5% 범위의 연신율을 갖는 것이 바람직하다. 이를 위해 음극 집전체는 6.0 내지 7.0 %의 연신율을 가질 수 있다. 음극이 2.0 내지 3.5% 범위의 연신율을 갖는 경우에 네일(nail) 관통시에 네일에 대한 음극의 관통 저항에 의해 내부 단락이 발생할 가능성이 낮아지게 된다. 상기 음극 연신율은, 전술한 바와 같이 음극 집전체로 사용되는 구리(Cu)가 양극 집전체에 비해 일반적으로 높은 연신율을 갖기 때문에 상기 음극 집전체를 포함하는 음극이 취약한 네일 관통성을 가져왔었다는 점을 고려할 때, 중요한 의의를 갖는다.In addition, according to an aspect of the present invention, the negative electrode preferably has an elongation in the range of 2.0 to 3.5%. To this end, the negative electrode current collector may have an elongation of 6.0 to 7.0%. When the negative electrode has an elongation in the range of 2.0 to 3.5%, the possibility of an internal short circuit is lowered due to the penetration resistance of the negative electrode to the nail when penetrating the nail. As for the negative electrode elongation, as described above, since copper (Cu) used as a negative electrode current collector generally has a higher elongation rate than that of the positive electrode current collector, the negative electrode including the negative electrode current collector has a weak nail penetrability. It has important significance when considering
전술한 전극 집전체를 제조하기 위해, 본 발명의 일 양태에서는 도 1에 개시된 바와 같은 돌기(110)가 형성된 롤러(100)를 1 내지 5 ton의 선압으로 전극 집전체에 프레스하는 공정을 채택할 수 있다. 선압이 1 ton보다 낮은 경우에는 본 발명에서 목적하는 바람직한 연신율을 얻지 못하게 되고, 5 ton 보다 높은 경우에는 집전체의 파단 현상이 일어나게 된다.In order to manufacture the above-described electrode current collector, in one aspect of the present invention, a process of pressing the
상기 돌기는 롤러 표면위로 볼록하게 돌출되어 있는 반구 형태일 수 있으며, 표면으로부터 돌출된 반구 높이는 1 내지 3 ㎛, 반구 직경은 1 내지 6 ㎛, 인접한 돌기와의 이격 거리는 1 내지 100 ㎛ 일 수 있다. 상기 돌기의 형태 및 크기는 미립 활물질 크기에 해당할 수 있으며, 이 경우, 상기 롤러에 의해 프레스된 전극 집전체에 미립 활물질을 포함하는 전극합제 슬러리가 코팅될 때 활물질은 롤러 돌기에 의해 형성된 전극 집전체 오목부에 담지되어 전극 활물질 로딩량을 증가시키는 동시에 전극 집전체에 대한 활물질 결착력을 향상시키는데 일조할 수 있다. 상기 돌기는 롤러 표면에 규칙적으로 배열되거나, 일정 패턴으로 배열되거나 또는 불규칙적으로 배열될 수 있다.The protrusion may be in the shape of a hemispherical protruding convexly on the roller surface, the height of the hemisphere protruding from the surface may be 1 to 3 µm, the diameter of the hemisphere may be 1 to 6 µm, and the separation distance between the adjacent protrusions may be 1 to 100 µm. The shape and size of the protrusion may correspond to the size of the fine active material. In this case, when the electrode mixture slurry containing the fine active material is coated on the electrode current collector pressed by the roller, the active material is an electrode collector formed by the roller protrusion. It is supported on the entire recess to increase the loading of the electrode active material, and at the same time, it can contribute to improving the binding force of the active material to the electrode current collector. The protrusions may be regularly arranged on the roller surface, arranged in a predetermined pattern, or irregularly arranged.
한편, 전극 집전체에 요철부를 형성시키기 위해서는 돌기가 형성된 롤러가 사용되지 않고 오목부가 형성된 롤러가 사용되어 전극 집전체에 요철부를 형성할 수 있다. 이 경우, 돌기가 형성된 롤러, 예컨대, 도 1에 도시된 롤러를 사용하여 전극 집전체를 프레스하는 경우에는, 도 2에 도시된 롤러(100)에 형성된 돌기부(110) 'a' 높이만큼의 두께를 갖는 전극집전체(200)가 확보될 수 있어 바람직한 반면, 오목부가 형성된 롤러를 사용하여 전극 집전체에 볼록부를 형성하는 경우에는 전극 집전체에 볼록하게 형성된 돌기부가 형성되지만 선압 크기에 따라 전극 집전체 두께가 목적하는 수준보다 지나치게 얇아질 수 있는 리스크(risk)가 있다.On the other hand, in order to form the concave-convex portion in the electrode current collector, a roller having a protrusion is not used, but a roller having a concave portion is used to form the concave-convex portion in the electrode current collector. In this case, in the case of pressing the electrode current collector using a roller having a protrusion, for example, a roller shown in FIG. 1, a thickness equal to the height of the
또는, 본 발명의 일 실시양태에 따르면, 전술한 바와 같이 롤러를 사용하여 전극집전체를 별도로 가공하는 공정을 거치지 않고, 특정한 활물질을 포함하는 활물질 슬러리를 전극집전체에 도포한 후에 라미네이트하는 공정을 통해, 본 발명에 따른 오목부가 형성된 전극 집전체를 포함한 전극을 수득할 수 있다. 다만, 롤러를 사용하여 전극 집전체를 가공하는 경우에는, 전극집전체에 도포되는 활물질 슬러리에 포함되는 활물질의 경도, 입경 및 공극도가 제한되지 않는 것과 달리, 활물질 슬러리의 도포 및 라미네이트에 의해 전극집전체에 특정한 오목부를 형성하는 경우에는 활물질의 경도, 입경 및 공극율이 하기와 같이 제한된다. Alternatively, according to an embodiment of the present invention, a process of laminating after applying an active material slurry containing a specific active material to the electrode current collector without going through the process of separately processing the electrode current collector using a roller as described above is performed. Through this, it is possible to obtain an electrode including an electrode current collector in which a concave portion is formed according to the present invention. However, in the case of processing the electrode current collector using a roller, unlike the hardness, particle diameter, and porosity of the active material included in the active material slurry applied to the electrode current collector, the electrode is applied by application of the active material slurry and lamination. When a specific recess is formed in the current collector, the hardness, particle diameter, and porosity of the active material are limited as follows.
보다 구체적으로, 활물질 자체의 경도 관련하여, 활물질 자체가 전극 집전체보다 높은 경도를 가져야, 활물질 슬러리를 도포하고 라미네이트하는 공정을 통해, 도 3에 도시된 바와 같은 활물질 압입 효과가 발생하게 된다. 라미네이트 공정에서는 1 내지 5 ton의 선압이 적용될 수 있다. 따라서, 전극 집전체보다 높은 경도를 갖는 활물질이 사용되어야 한다. 예컨대, 양극 집전체로 A1100 합금을 사용하는 경우, A1100 합금은 브리넬 경도 28 값을 가지므로, 브리넬 경도 28보다 큰 경도를 갖는 활물질이 사용되어야 한다. More specifically, with respect to the hardness of the active material itself, the active material itself must have a higher hardness than the electrode current collector, and through the process of applying and laminating the active material slurry, the active material press-fitting effect as shown in FIG. 3 occurs. In the lamination process, a linear pressure of 1 to 5 ton may be applied. Therefore, an active material having a higher hardness than an electrode current collector must be used. For example, when the A1100 alloy is used as the positive electrode current collector, the A1100 alloy has a Brinell hardness of 28, so an active material having a hardness greater than the Brinell hardness of 28 should be used.
또한, 활물질 입경 관련하여, 6 ㎛ 이하의 입경, 바람직하게는 2 내지 6 ㎛ 입경을 갖는 미립 활물질을 포함하는 것이 바람직하고, 상기 입경을 갖는 미립 활물질을 70% 이상 포함하는 것이 보다 바람직하다. 상기보다 큰 입경의 활물질이 활물질 전체 체적중 30% 이상 사용되는 경우에는 본 발명에서 목적하는 전극 전체의 연신율 저감 효과를 얻기가 곤란하다. 예컨대, 본 발명의 일 실시양태에 따라 6 ㎛ 입경을 갖는 미립 활물질과 10 ㎛ 입경을 갖는 활물질이 혼합되어 사용되는 경우, 6 ㎛ 입경을 갖는 미립 활물질이 활물질 전체 체적중 70% 이상 포함되어야 한다.In addition, with respect to the particle size of the active material, it is preferable to include a particulate active material having a particle diameter of 6 μm or less, preferably 2 to 6 μm, and more preferably 70% or more of the particulate active material having the particle size. When an active material having a particle diameter larger than that described above is used in an amount of 30% or more of the total volume of the active material, it is difficult to obtain the effect of reducing the elongation rate of the entire electrode targeted in the present invention. For example, according to an embodiment of the present invention, when a particulate active material having a particle diameter of 6 μm and an active material having a particle diameter of 10 μm are mixed and used, 70% or more of the total volume of the active material should be included.
본원 명세서에서 입경 관련하여 기준이 되는 활물질은 1차 입자 또는 2차 입자 형태의 활물질을 총칭한다. In the specification of the present application, the active material serving as a reference in relation to the particle size generally refers to an active material in the form of primary particles or secondary particles.
또한, 전극 활물질층 공극도가 작을수록 양극 활물질층의 연신율이 작아지는 경향을 갖는다. 본 발명의 일 양태에서 양극 활물질층의 공극도는 23 % 내지 35% 또는 23 % 내지 31 %인 것이 바람직하다. 공극도가 상기 하한치보다 작은 경우에는 전해액 및/또는 리튬 이온의 원활한 이동이 확보되지 못해 전지 성능이 저하될 수 있고, 상기 공극도가 상기 상한치보다 큰 경우에는 목적하는 연신율의 확보가 곤란하게 되며, 전극의 체적이 불필요하게 증가하게 된다.In addition, as the porosity of the electrode active material layer decreases, the elongation rate of the positive electrode active material layer tends to decrease. In one aspect of the present invention, the porosity of the positive active material layer is preferably 23% to 35% or 23% to 31%. If the porosity is less than the lower limit, smooth movement of the electrolyte and/or lithium ions may not be ensured, and battery performance may be degraded, and when the porosity is greater than the upper limit, it is difficult to secure the desired elongation, The volume of the electrode is unnecessarily increased.
양극은 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질층을 구비하여 형성될 수 있으며, 양극 활물질층은 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하여 이루어질 수 있다.The positive electrode may be formed by including a positive electrode active material layer on one or both surfaces of the positive electrode current collector, and the positive electrode active material layer may include a positive electrode active material, a conductive material, and a binder.
상기 양극 활물질로는 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; 화학식 LixNiaMnbCocO2 (여기서, 0<a≤0.9, 0<b≤0.9, 0<c≤0.5, 0.85 ≤a+b+c≤1.05, 0.95≤x≤1.15 임) 등의 3성분계 리튬 복합 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 ~ 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등이 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The positive electrode active material may include a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) or lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a compound substituted with one or more transition metals; Lithium manganese oxides such as the formula Li 1 + x Mn 2 - x O 4 (wherein x is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2, etc.; Formula Li x Ni a Mn b Co c O 2 (here, 0<a≤0.9, 0<b≤0.9, 0<c≤0.5, 0.85 ≤a+b+c≤1.05, 0.95≤x≤1.15), etc. A three-component lithium composite oxide of; 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 ; Ni site type lithium nickel oxide represented by the formula LiNi 1 - x M x O 2 (here, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, and x =0.01 ~ 0.3); Formula LiMn 2 - x M x O 2 (where M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta, and x = 0.01 to 0.1) or Li 2 Mn 3 MO 8 (where M = Fe, Co, A lithium manganese composite oxide represented by Ni, Cu or Zn); LiMn 2 O 4 wherein part of Li in the formula is substituted with alkaline earth metal ions; Disulfide compounds; Fe 2 (MoO 4 ) 3 and the like may be used, but are not limited thereto.
바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질층 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가될 수 있다. 이러한 바인더로서 상기 고분자량 폴리아크릴로니트릴-아크릴산 공중합체를 이용할 수 있으나, 이것만으로 한정되는 것은 아니다. 다른 예로는, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.The binder is a component that aids in bonding of the active material and the conductive material and bonding to the current collector, and may be generally added in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer. As such a binder, the high molecular weight polyacrylonitrile-acrylic acid copolymer may be used, but is not limited thereto. Other examples include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber, fluorine rubber, and various copolymers.
도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것으로서, 양극 활물질층의 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 50 중량%로 첨가될 수 있다. 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소나노튜브(Carbon nanotube: CNT); 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화 아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등이 사용될 수 있다.The conductive material has conductivity without causing a chemical change in the battery, and may be added in an amount of 1% to 50% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer. Graphite, such as natural graphite and artificial graphite, for example; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; Carbon nanotube (CNT); Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; 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 polymers such as polyphenylene derivatives may be used.
상기 음극은 음극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 혼합물을 음극 집전체에 도포한 후 용제를 건조시켜 얻을 수 있다.The negative electrode may be obtained by applying a mixture including a negative electrode active material, a binder, and a conductive material to a negative electrode current collector and then drying the solvent.
상기 음극 활물질로는, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연재료; 리튬과 합금이 가능한 Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt, Ti 등의 금속 및 이러한 원소를 포함하는 화합물; 금속 및 그 화합물과 탄소 및 흑연재료의 복합 화합물; 리튬 함유 질화물 등을 들 수 있다.Examples of the negative electrode active material include carbon and graphite materials such as natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, carbon fiber, non-graphitizable carbon, carbon black, carbon nanotube, fullerene, and activated carbon; Metals such as Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt, Ti, etc., which can be alloyed with lithium, and compounds containing these elements; A composite compound of a metal and a compound thereof and a carbon and graphite material; Lithium-containing nitrides, and the like.
음극 활물질의 도전성을 향상시키기 위한 성분으로서 도전재가 더 포함될 수 있다. 상기 도전재는 앞서 양극과 관련하여 설명된 내용과 동일하다.A conductive material may be further included as a component for improving the conductivity of the negative active material. The conductive material is the same as described in relation to the positive electrode.
또한, 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 세퍼레이터가 포함될 수 있으며, 세퍼레이터로는 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 세퍼레이터의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 50 ㎛이다. 이러한 세퍼레이터로는, 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 세퍼레이터를 겸할 수도 있다.In addition, a separator interposed between the anode and the cathode may be included, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used as the separator. The pore diameter of the separator is generally 0.01 to 10 μm, and the thickness is generally 5 to 50 μm. As such a separator, For example, olefin-based polymers such as polypropylene having chemical resistance and hydrophobicity; Sheets or non-woven fabrics made of glass fiber or polyethylene are used. When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.
리튬 이차전지는 양극, 음극 및 세퍼레이터 이외에 통상적으로 리튬염 함유 비수 전해질을 더 포함한다.The lithium secondary battery generally further includes a lithium salt-containing non-aqueous electrolyte in addition to a positive electrode, a negative electrode, and a separator.
상기 리튬염 함유 비수계 전해질은, 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다.The lithium salt-containing non-aqueous electrolyte is composed of a non-aqueous electrolyte and lithium.
비수 전해질로는 비수 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.As the nonaqueous electrolyte, a nonaqueous electrolyte, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, or the like is used.
상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 다이메틸 카보네이트, 다이에틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-다이메톡시 에탄, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 다이메틸설폭사이드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 다이메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-다이메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양성자성 유기용매가 사용될 수 있다.As the non-aqueous electrolyte, for example, N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butyllolactone, 1,2-dime Toxiethane, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolone, formamide, dimethylformamide, dioxolone, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate tryster , Trimethoxy methane, dioxolone derivative, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ether, methyl propionate, ethyl propionate, etc. An aprotic organic solvent 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, 폴리불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.As the organic solid electrolyte, for example, a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, a poly agitation lysine, a polyester sulfide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene fluoride, A polymer or the like containing an ionic dissociating group 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.As the inorganic solid electrolyte, for example, 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 may 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, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.The lithium salt is a material that is easily 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 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide have.
또한, 비수계 전해질에는 충·방전 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.In addition, non-aqueous electrolytes include pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, and trihexaphosphate for the purpose of improving charge/discharge properties and flame retardancy. Addition of amide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N,N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride, etc. It could be.
경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄소 가스를 더 포함시킬 수도 있다.In some cases, in order to impart non-flammability, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included in order to improve high-temperature storage characteristics.
이하 실시예를 들어 본 발명을 더 상세히 설명한다. 본 명세서 상의 실시예는 발명의 상세한 설명을 위한 것일뿐 권리 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.The present invention will be described in more detail by way of examples below. The embodiments herein are for detailed description of the invention and are not intended to limit the scope of the rights.
실시예Example 1: 양극의 제조 1: Preparation of the anode
두께 12 ㎛이고, 깊이 3 ㎛, 직경 6㎛ 및 인접 오목부와의 이격 거리가 100 ㎛인 오목부 복수개가 형성되어 있는 연신율 2.3%의 알루미늄 호일을 양극 집전체로 준비하였다.An aluminum foil having an elongation of 2.3% in which a plurality of concave portions having a thickness of 12 µm, a depth of 3 µm, a diameter of 6 µm, and a distance of 100 µm to the adjacent concave portions was formed as a positive electrode current collector.
또한, 양극 활물질 LiNi0 . 6Mn0 . 2Co0 . 2O2 (평균 입경: 6 ㎛), 바인더인 PVDF 및 도전재인 카본 블랙(Carbon black)를 92.5:4:3.5 조성비로 용매 N-메틸 피롤리돈(NMP)에 투입하여 양극 활물질층 형성을 위한 슬러리를 준비하였다.In addition, the positive electrode active material LiNi 0 . 6 Mn 0 . 2 Co 0 . 2 O 2 (average particle diameter: 6 µm), PVDF as a binder, and carbon black as a conductive material were added to N-methylpyrrolidone (NMP) in a composition ratio of 92.5:4:3.5 to form a positive electrode active material layer. The slurry was prepared.
상기 양극 활물질층 형성을 위한 슬러리를 알루미늄 호일의 양면에 코팅하고, 건조 및 압연시켜 두께 118 ㎛의 양극 활물질층을 형성시켰다. The slurry for forming the positive electrode active material layer was coated on both surfaces of an aluminum foil, dried and rolled to form a positive electrode active material layer having a thickness of 118 μm.
최종 제작된 양극은 1.0%의 연신율을 가졌다.The finally fabricated anode had an elongation of 1.0%.
실시예Example 2: 양극의 제조 2: Preparation of the anode
깊이 2 ㎛, 직경 3㎛ 및 인접 오목부와의 이격 거리가 10 ㎛인 오목부가 형성되어 있는 연신율 2.0 %의 알루미늄 호일을 양극 집전체로 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.A positive electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that an aluminum foil having a depth of 2 µm, a diameter of 3 µm, and an elongation of 2.0% having a concave portion having a distance of 10 µm to the adjacent concave portion was used as the positive electrode current collector. Was prepared.
최종 제작된 양극은 0.7 %의 연신율을 가졌다.The finally fabricated anode had an elongation of 0.7%.
실시예Example 3: 양극의 제조 3: Preparation of the anode
깊이 1 ㎛, 직경 1 ㎛ 및 인접 오목부와의 이격 거리가 1 ㎛인 오목부가 형성되어 있는 연신율 1.5 %의 알루미늄 호일을 양극 집전체로 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.A positive electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that an aluminum foil having an elongation of 1.5% in which a concave portion having a depth of 1 µm, a diameter of 1 µm, and a distance from the adjacent concave portion was formed as a positive electrode current collector. Was prepared.
최종 제작된 양극은 0.5 %의 연신율을 가졌다.The finally fabricated anode had an elongation of 0.5%.
실시예Example 4: 음극의 제조 4: Preparation of cathode
두께 10 ㎛이고, 깊이 3 ㎛, 직경 6㎛ 및 인접 오목부와의 이격 거리가 100 ㎛인 오목부 복수개가 형성되어 있는 연신율 7.0 %의 구리 호일을 음극 집전체로 준비하였다.A copper foil having an elongation of 7.0% in which a plurality of concave portions having a thickness of 10 µm, a depth of 3 µm, a diameter of 6 µm, and a spacing distance of 100 µm to the adjacent concave portions was prepared as a negative electrode current collector.
음극 활물질로 천연 흑연:바인더 SBR: 증점제 CMC : 도전재 카본 블랙을 96.2:1.8:1:1 조성비로 용매인 물에 첨가하여, 음극 활물질층 형성을 위한 슬러리를 준비하였다.Natural graphite as an anode active material: binder SBR: thickener CMC: conductive carbon black was added to water as a solvent in a composition ratio of 96.2:1.8:1:1 to prepare a slurry for forming a negative electrode active material layer.
상기 음극 활물질층 형성을 위한 슬러리를 음극 집전체의 양면에 코팅하고, 건조 및 압연시켜 음극을 제조하였다.The slurry for forming the negative active material layer was coated on both sides of a negative electrode current collector, dried, and rolled to prepare a negative electrode.
최종 제작된 음극은 3.5 %의 연신율을 가졌다.The final fabricated negative electrode had an elongation of 3.5%.
실시예Example 5: 음극의 제조 5: Preparation of negative electrode
깊이 2 ㎛, 직경 3 ㎛ 및 인접 오목부와의 이격 거리가 10 ㎛인 오목부가 형성되어 있는 연신율 6.5 %의 구리 호일을 음극 집전체로 사용하는 것을 제외하고, 실시예 4와 동일한 방법으로 음극을 제조하였다.A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 4, except that a copper foil having an elongation of 6.5% having a concave portion having a depth of 2 µm, a diameter of 3 µm, and a spacing distance of 10 µm from the adjacent concave portion was used as the negative electrode current collector. Was prepared.
최종 제작된 음극은 2.9 %의 연신율을 가졌다.The finally fabricated negative electrode had an elongation of 2.9%.
실시예Example 6: 음극의 제조 6: Preparation of the cathode
깊이 1 ㎛, 직경 1 ㎛ 및 인접 오목부와의 이격 거리가 1 ㎛인 오목부가 형성되어 있는 연신율 6.0 %의 구리 호일을 음극 집전체로 사용하는 것을 제외하고, 실시예 4와 동일한 방법으로 음극을 제조하였다.A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 4, except that a copper foil having an elongation of 6.0% in which a concave portion having a depth of 1 µm, a diameter of 1 µm, and a distance from the adjacent concave portion was formed as a negative electrode current collector was used. Was prepared.
최종 제작된 음극은 2.1 %의 연신율을 가졌다.The finally fabricated negative electrode had an elongation of 2.1%.
비교예Comparative example 1: 양극의 제조 1: Preparation of the anode
오목부가 형성되어 있지 않은 연신율 3%의 양극 집전체가 사용된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.A positive electrode was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a positive electrode current collector having an elongation of 3% in which no recess was formed was used.
최종 제작된 양극의 연신율을 1.5% 이었다.The elongation of the finally prepared positive electrode was 1.5%.
비교예Comparative example 2: 양극의 제조 2: Preparation of the anode
깊이 1 ㎛, 직경 100 ㎛ 및 인접 오목부와의 이격 거리가 100 ㎛인 오목부 복수개가 형성되어 있는 연신율 2.9 %의 알루미늄 호일을 양극 집전체로 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.In the same manner as in Example 1, except that an aluminum foil having an elongation of 2.9% in which a plurality of concave portions having a depth of 1 µm, a diameter of 100 µm, and a distance of 100 µm to the adjacent concave portions was used as the positive electrode current collector. A positive electrode was prepared.
최종 제작된 양극은 1.4 %의 연신율을 가졌다.The finally fabricated anode had an elongation of 1.4%.
비교예Comparative example 3: 음극의 제조 3: Preparation of cathode
오목부가 형성되어 있지 않은 연신율 8%의 구리 집전체가 사용된 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 음극을 제조하였다.A negative electrode was manufactured in the same manner as in Example 3, except that a copper current collector having an elongation of 8% with no recessed portion was used.
최종 제작된 음극의 연신율은 4 % 이었다.The elongation of the finally fabricated negative electrode was 4%.
비교예Comparative example 4: 음극의 제조 4: Preparation of cathode
깊이 3 ㎛, 직경 10 ㎛ 및 인접 오목부와의 이격 거리가 1000 ㎛인 오목부 복수개가 형성되어 있는 연신율 7.6 %의 구리 집전체를 사용하는 것을 제외하고, 실시예 3과 동일한 방법으로 음극을 제조하였다.A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 3, except that a copper current collector having a depth of 3 µm, a diameter of 10 µm, and a plurality of concave portions having a spacing distance of 1000 µm from the adjacent concave portions was used. I did.
최종 제작된 음극의 연신율은 3.8% 이었다.The elongation of the finally fabricated negative electrode was 3.8%.
평가예Evaluation example : 네일 관통 실험: Nail penetration experiment
상기 제작된 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 4의 전극과 각 실시예 및 비교예의 대극 및 분리막 그리고 파우치를 사용하여 파우치형 셀을 제작하였다. A pouch-type cell was fabricated using the prepared electrodes of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4, the counter electrode, separator, and pouch of each of Examples and Comparative Examples.
보다 구체적으로, 실시예 1~3(양극)과 함께 사용된 음극은 비교예 3에 해당하며, 실시예 4~6(음극)와 함께 사용된 양극은 비교예 1에 해당한다. 또한, 비교예 1~2(양극)과 함께 사용한 음극은 비교예 3에 해당하며, 비교예 3~4(음극)과 함께 사용한 양극은 비교예 1에 해당한다. 분리막은 모두 Toray사의 두께 15um PE 원단 분리막에 세라믹층을 코팅한 분리막을 사용하였으며, 파우치의 경우 DNP사의 PH3 grade를 사용하였다. 이 셀들을 25 ℃에서 4.15V 전압하에 만충전하고 직경 3 mm 네일(nail)을 사용하여 전지의 중앙을 관통시킨 후 발화여부를 관찰하였다. 이때 못 관통속도는 80 ㎜/sec로 하였다.More specifically, the cathode used with Examples 1 to 3 (anode) corresponds to Comparative Example 3, and the anode used with Examples 4 to 6 (cathode) corresponds to Comparative Example 1. In addition, the negative electrode used with Comparative Examples 1 to 2 (anode) corresponds to Comparative Example 3, and the positive electrode used with Comparative Examples 3 to 4 (cathode) corresponds to Comparative Example 1. All of the separators were Toray's 15um thick PE fabric separator coated with a ceramic layer, and for the pouch, DNP's PH3 grade was used. These cells were fully charged under a voltage of 4.15V at 25° C., and a 3 mm diameter nail was used to penetrate the center of the battery, and then ignition was observed. At this time, the nail penetration speed was set to 80 mm/sec.
그 결과는 하기 표 1과 같았다.The results were shown in Table 1 below.
-Hazard level 1: 소극적 방호 활성화됨 (No defect, no leakage; no venting, fire or
flame; no rupture; no explosion; no exothermic reaction or thermal runaway. Cell
reversibly damaged. Repair of protetion device needed)
-Hazard level 2: 결함/훼손 (No leakage; no venting, fire, or flame; no rupture; no
explosion; no exothermic reaction of thermal runaway. Cell irreversibly damaged. Repair
needed)
-Hazard level 3: 누액△질량 < 50% (No venting, fire or flame; no rupture; no explosion.
Weight loss < 50% of electrolyte(solvent+salt) weight)
-Hazard level 4: 벤팅△질량 ≥ 50% (No fire or flame; no rupture; no explosion. Weight
loss ≥ 50% of electrolyte weight)
-Hazard level 5: 발화 또는 화염 (No rupture; no explosion)
-Hazard level 6: 파열 (rupture) (No explosion, but flying parts of the active mass)
-Hazard level 7: 폭발 (Explosion)Hazard level 0: No change.
-Hazard level 1: passive protection activated (No defect, no leakage; no venting, fire or
flame; no rupture; no explosion; no exothermic reaction or thermal runaway. Cell
reversibly damaged. Repair of protetion device needed)
-Hazard level 2: defect/damage (No leakage; no venting, fire, or flame; no rupture; no
explosion; no exothermic reaction of thermal runaway. Cell irreversibly damaged. Repair
needed)
-Hazard level 3: Leakage △ mass <50% (No venting, fire or flame; no rupture; no explosion.
Weight loss <50% of electrolyte(solvent+salt) weight)
-Hazard level 4: Venting△mass ≥ 50% (No fire or flame; no rupture; no explosion.Weight
loss ≥ 50% of electrolyte weight)
-Hazard level 5: ignite or flame (No rupture; no explosion)
-Hazard level 6: rupture (No explosion, but flying parts of the active mass)
-Hazard level 7: Explosion
Claims (10)
(S1) 복수개의 돌기가 형성되어 있는 롤러를 이용하여 전극 집전체를 프레스하여 표면에 복수의 오목부가 형성된 전극 집전체를 준비하는 단계; 및
(S2) 전극 활물질, 전극 바인더 고분자 및 유기용매로 이루어진 활물질 슬러리를 상기 오목부가 형성된 전극 집전체에 도포하는 단계를 포함하며,
상기 전극 집전체는 10㎛ 내지 20㎛ 두께를 갖는 것이며,
(S1) 단계에서 상기 프레스는 1ton 내지 5ton의 선압이 가하여지는 것이며, 상기 프레스에 의해서 집전체에 깊이 1 내지 3㎛ 및 지름 1㎛ 내지 6㎛의 반구 (semi-sphere) 형태를 갖고 인접 오목부와 1㎛ 내지 100 ㎛ 범위로 이격되게 배치되는 오목부가 형성되며,
상기 오목부가 형성된 전극 집전체는 오목부 형성 이전의 전극 집전체 대비 1/10 내지 9/10 범위에 해당하는 연신율을 가지며,
상기 전극은 양극 또는 음극이며,
상기 전극이 양극인 경우 상기 양극은 0.5% 내지 1.0%의 연신율을 가지고 공극도는 23% 내지 35%이며 상기 전극 집전체는 1.5% 내지 2.7% 범위의 연신율을 가지며,
상기 전극이 음극인 경우 상기 음극은 2.0% 내지 3.5%의 연신율을 가지고 상기 전극 집전체는 6.0% 내지 7.0% 범위의 연신율을 가지는 것인 전극의 제조 방법.
It is a manufacturing method of an electrode for secondary batteries,
(S1) preparing an electrode current collector having a plurality of concave portions formed on the surface by pressing the electrode current collector using a roller having a plurality of projections formed thereon; And
(S2) comprising the step of applying an active material slurry consisting of an electrode active material, an electrode binder polymer, and an organic solvent to the electrode current collector in which the concave portion is formed,
The electrode current collector has a thickness of 10 μm to 20 μm,
In step (S1), the press is applied with a linear pressure of 1 to 5 tons, and has a semi-sphere shape having a depth of 1 to 3 µm and a diameter of 1 µm to 6 µm to the current collector by the press. And a concave portion spaced apart in the range of 1 μm to 100 μm is formed,
The electrode current collector in which the concave portion is formed has an elongation in the range of 1/10 to 9/10 compared to the electrode current collector before the concave portion is formed,
The electrode is an anode or a cathode,
When the electrode is a positive electrode, the positive electrode has an elongation of 0.5% to 1.0%, a porosity of 23% to 35%, and the electrode current collector has an elongation in the range of 1.5% to 2.7%,
When the electrode is a negative electrode, the negative electrode has an elongation of 2.0% to 3.5%, and the electrode current collector has an elongation in the range of 6.0% to 7.0%.
상기 전극집전체는 알루미늄 호일(aluminium foil)인 것인 전극의 제조 방법.
The method of claim 1,
The electrode current collector is an aluminum foil (aluminium foil).
상기 전극집전체는 구리 호일(copper foil)인 것인 전극의 제조 방법. The method of claim 1,
The electrode current collector is a method of manufacturing an electrode that is a copper foil.
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