KR102275363B1 - 안전성이 향상된 이차전지 전극용 집전체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지 전극용 집전체에 관한 것으로, 전극 내 저항을 감소시키고, 리튬이온의 이동이 원활할 뿐만 아니라, 금속과의 단락 회로(short circuit) 현상을 차단하여 안정성이 높은 다공성 도전체로 형성된 집전체에 관한 것이다.

Description

안전성이 향상된 이차전지 전극용 집전체{CURRENT COLLECTOR FOR ELECTRODE OF SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차전지 전극용 집전체에 관한 것으로, 전극 내 저항을 감소시키고, 리튬이온의 이동이 원활할 뿐만 아니라, 금속과의 단락 회로(short circuit) 현상을 차단하여 안정성이 높은 다공성 도전체로 형성된 집전체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 가볍고 오래 사용할 수 있으며, 신뢰성이 높은 고성능의 소형 이차 전지 개발이 절실히 요청되고 있다. 또한 환경 및 에너지 문제의 해결 방안의 하나인 전기자동차와 심야유휴전력의 효율적 활용을 위한 대형 이차전지의 개발 수요가 높아지고 있다. 이러한 수요에 부응하기 위해 지금까지 많은 연구가 이루어진 것이 리튬이차전지이다.
리튬이차전지는 전해질의 형태에 따라 유기용매 전해질을 사용하는 리튬금속전지 및 리튬이온전지와 고체고분자전해질을 사용하는 리튬폴리머전지로 나눌 수 있다.
이 중, 리튬폴리머전지는 전해질이 고체이기 때문에 전해질의 누수염려가 없어 안정성이 확보되고, 또한 용도에 따라 다양한 크기와 모양으로 에너지 밀도가 높은 형태로 제조할 수 있어, 향후에도 지속적인 개발이 기대되고 있다.
이러한 리튬이차전지는 충·방전 횟수가 증가함에 따라 양극활물질과 전해질의 계면, 음극활물질과 전해질의 계면, 전해질 자체에서 저항 성분이 생성되면서 리튬 이온의 흐름이 방해를 받기 때문에 수명 및 용량이 감소하게 된다.
특히 저항 성분은 주로 양극 측에서 발생되는 전해질의 분해 반응에 의해 발생되는데, 전해질의 분해 반응은 많은 가스를 발생시켜 전지 내부의 접촉을 감소시켜 저항을 증가시키거나, 전해질의 점도를 증가시켜 리튬 이온의 흐름을 방해하게 되어, 전지의 수명 및 용량이 감소하는 문제가 있다.
한편, 리튬이차전지에 대해서는 안전성을 시험하기 위하여 외부 충격 실험(nail penetration test)을 실시하는데, 해당 실험시 금속재질의 도전체를 포함하는 집전체에서 단락 회로 현상에 의하여 급격한 줄(Joule)열이 발생하게 된다. 이 때, 높은 줄열에 의하여 외부충격 실험에 사용된 금속과 도전체간의 접촉부위에 발화현상이 일어나게 되어, 제품의 안전성, 수율 및 신뢰성이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명과 관련하여, 대한민국 공개특허 제10-2013-011697호(2013.10.11 공개)에는 전극조립체가 개시되어 있으나, 상기와 같은 문제점을 해결하는 기술적 수단에 대해서는 언급한 바 없다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 저항 문제 및 안전성 등의 문제를 해결하고, 전극 내 저항을 감소시키고, 리튬이온의 이동을 원활하게 하며, 금속과의 단락 회로 현상을 차단하여 안정성이 높은, 다공성 도전체로 형성된 집전체를 제공하는 것이다.
본 발명의 집전체는 이차전지의 전극에 포함되는 것으로서, 상기 집전체는 다공성 도전체를 포함하며, 다공성 도전체에 형성된 다수의 기공은 2차원 또는 3차원의 형상을 갖고, 다수의 기공 중 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(d)와 기공의 평균 직경(D)은 하기의 식 1을 만족하는 것을 특징으로 한다.
[식 1]
0.8d ≤ D ≤ 2d
본 발명의 다공성 도전체로 형성된 집전체에 의하면, 이차전지의 전극 내 저항을 감소시키고, 리튬이온의 이동을 원활하게 함으로써, 이를 포함하고 있는 이차전지의 출력 및 수명향상 효과를 얻을 수 있게 된다.
또한, 외부 충격 실험을 진행하더라도 금속과의 단락 회로(short circuit) 현상이 차단됨으로써 제품의 안전성, 수율 및 신뢰성이 우수하다는 효과가 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하는 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것인바, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 본 발명에 따른 이차전지 전극용 집전체에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이차전지 전극용 집전체는 이차전지의 전극에 포함되는 것으로서, 다공성 도전체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 각 전극에 있어서, 기공을 통해 리튬 이온이 활발히 이동할 수 있도록, 다공성 도전체가 포함된 집전체가 일종의 채널의 역할을 하게 되는바, 저항이 더욱 감소되고, 리튬 이온의 이동이 원활하게 되어, 이차전지의 출력 및 수명향상 효과를 얻을 수 있게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 다공성 도전체에 형성된 다수의 기공은 브라베 격자(Bravais lattice) 이론에 따라 2,3차원의 형태로 제작될 수 있으며, 다수의 기공 중 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(d)와 기공의 평균 직경(D)은 하기의 식 1을 만족할 수 있다.
[식 1]
0.8d ≤ D ≤ 2d
즉, 상기 다공성 도전체에 형성된 다수의 기공 중 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(d)와 기공의 평균 직경(D)간의 관계가 상기 식 1의 조건을 만족할 때, 리튬이온의 이동 및 확산이 용이하게 되면서 외부 충격에 따른 단락회로 구성 시 발생되는 줄열(Joule's heat)에 의하여 다공성 도전체가 열린 회로 상태가 되어 전지의 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 다공성 도전체에 형성된 다수의 기공 중 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(d)는 0.375~0.45㎛인 것이 바람직하다.
상기 거리(d)가 0.375㎛ 미만인 경우에는 줄열에 따른 다공성 도전체의 열린 회로 형성에 유리하나, 전극 코팅공정상 장력에 따른 도전체의 파단과 끊김 현상이 발생되는 문제가 있고, 0.45㎛를 초과하는 경우에는 다공성 도전체의 열린회로 형성이 잘 일어나지 않는다. 또한, 넓은 기공까지의 거리(d)로 인해 리튬이온의 이동거리가 증가되어 저항의 상승과 출력이 감소되는 문제가 있다.
본 발명에 있어서, 상기 다공성 도전체에 형성된 기공의 평균 직경(D)은 300nm~900nm인 것, 특히 500nm~900nm인 것이 바람직하다.
상기 평균 직경(D)이 300nm 미만인 경우에는 리튬이온이 이동할 수 있는 공간이 작으므로 저항이 커져서 이차전지의 수명, 출력특성이 떨어지고, 900nm를 초과하는 경우에는 활물질보다 큰 기공으로 인해 정량의 코팅두께를 확보하는데 문제가 있다.
본 발명에서 상기 다공성 도전체의 투과도는 40~95%, 더욱 바람직하게는 60~85%일 수 있다. 투과도가 40% 미만인 경우에는 낮은 투과도로 인하여 리튬 이온의 전도도가 낮아 저항이 상승되고 이차전지의 출력과 수명이 열위를 나타낸다. 95%를 초과하는 경우에는 높은 투과도로 인하여 리튬 이온의 전도도는 높아지나, 다공성 도전체의 도선이 차지하는 영역이 줄어들게 되므로 전자전도도가 떨어져 이차전지의 특성이 저하된다.
본 발명에서 상기 다공성 도전체의 재질은 알루미늄 포일, 구리 포일, 니켈 포일, 구리 메쉬, 탄소 메쉬 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 특히 음극집전체에 포함되는 다공성 도전체는 탄소전극의 작동범위(표준전위에서 리튬 대비 0.01~3V)에서 전기화학적으로 비활성을 나타내면서도 전자전도성을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 다공성 도전체의 두께는 4~30㎛일 수 있고, 더욱 바람직하게는 6~20㎛일 수 있다. 두께가 4㎛ 미만인 경우에는 도선의 역할을 하는 다공성 도전체로써 박막도선이 되어 전극의 발열에 의한 전극열화의 문제가 있고, 30㎛를 초과하는 경우에는 기공의 길이가 길어 리튬 이온의 이동 거리가 늘어남에 따라 전극의 저항상승 문제가 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서 다공성 도전체는 3차원의 열린 기공 또는 닫힌 기공을 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 다공성 도전체는 고분자 분해 방식에 의해 형성된 3차원의 열린 기공 또는 닫힌 기공을 포함할 수 있다.
3차원 다공성 도전체에 있어서, 열린 기공은 기공과 기공이 서로 연결되어 있는 구조이며, 닫힌 기공은 기공과 기공 사이가 도전체 금속으로 막힌 구조를 의미한다.
이 중, 열린 기공은, 기공이 서로 연결되어 3차원 구조에서 리튬 이온이 투과할 수 있는 통로를 제공하는 역할을 하는바, 본 발명의 다공성 도전체는 열린 기공이 전체 기공의 부피 대비 40% 이상이어야 한다.
열린 기공이 전체 기공의 부피 대비 40% 미만인 경우에는 리튬 이온이 원활히 이동하기가 어려운바, 전극의 저항이 올라가기 때문에 이차전지의 출력특성 및 수명이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
3차원 다공성 도전체의 기공 형성방법은 건식법과 습식법이 가능하다. 건식법은 압출된 포일을 연신하면서 라멜라 결정 계면에 미세균얼을 발생시키는 방법으로 기공을 확보하는 방법이다. 습식법은 고분자와 가소제를 고온에서 균일하게 혼합한 후, 냉각시키면서 상분리를 유도한 후 가소제를 제거하는 방법으로 기공을 확보하는 방법이다. 또한, 고분자와 가소제 이외에 무기분체 등을 혼합한 후 가소제와 동시에 무기분체를 제거하는 방법으로 기공을 확보할 수도 있다. 무기분체를 혼합한 경우에는 기공의 직경이 크며, 공극률을 높일 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 또 다른 일실시예에 있어서, 상기 다공성 도전체는 2차원의 열린 기공 구조를 가질 수도 있다.
즉, 본 발명의 다공성 도전체는 레이저에 의해 형성된 2차원의 열린 기공 구조를 포함할 수 있다.
2차원 다공성 도전체에 있어서, 열린 기공은 리튬 이온이 이동할 수 있도록 다공성 도전체를 관통하여 형성된 기공 구조임을 의미한다.
2차원 열린 기공 구조의 다공성 도전체의 기공 형성은 금속 포일 원단에 기공 사이즈 및 피치값을 사전에 입력하고 스캐너를 통해 포일의 사이즈를 확인한 후 레이저를 조사함으로써 기공을 확보하는 방법을 이용할 수 있다.
본 발명은 상술한 다공성 도전체를 포함하는 집전체에 활물질을 도포하여 제조된 전극 및 분리막을 포함하는 전극조립체에 관한 내용도 포함된다.
본 발명의 다공성 도전체를 포함하는 집전체에 양극활물질을 도포하는 경우, 상기 전극은 양극이 된다. 본 발명에 사용될 수 있는 양극활물질로는 칼코게나이드 화합물이 사용될 수 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1 -xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있으나, 본 발명에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 다공성 도전체를 포함하는 집전체에 음극활물질을 도포하는 경우, 상기 전극은 음극이 된다. 본 발명에 사용될 수 있는 음극활물질로는 탄소 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체, 전이금속산화물, 리튬금속질화물, 리튬금속산화물 등이 사용되고 있으나, 본 발명에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 전극은 2이상의 단위전극이 다열 적층될 수도 있는바, 적층된 전극개수에 반비례하여 전극에 걸리는 저항을 낮추면서도, 다공성 도전체를 통해 리튬 이온의 이동이 원활하게 되어, 전극에 걸리는 저항을 더욱 낮출 수 있으므로 이차전지의 출력 및 수명특성을 향상시킬 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예 1
(다공성 도전체의 제조)
두께 10um의 알루미늄 포일 원단에 기공의 평균직경(pore size) 510nm, 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(pitch) 380nm의 값을 입력하고, 스캐너를 통해 포일의 사이즈를 확인 후 이를 레이저를 조사하여 투과도가 50%인 다공성 도전체(A)를 확보하였다.
(양극 제조)
Li(Ni/Co/Mn)O2 : 카본블랙 : PVDF = 94 : 3 : 3 중량비로 NMP에 분산시켜 슬러리를 제조한 후, 이 슬러리를 상기 제조된 다공성 도전체(A)에 양면 코팅하고, 130℃에서 충분히 건조한 후, 프레싱하여 단위양극을 제조하였다. 양면 코팅 양극의 두께는 140㎛이었다.
(음극 제조)
그라파이트 : 아세틸렌 블랙 : PVDF = 93 : 1 : 6의 중량비로 NMP에 분산시켜 슬러리를 제조한 후, 이 슬러리를 구리 호일에 양면 코팅하고, 130 ℃에서 충분히 건조한 후, 프레싱하여 단위음극을 제조하였다. 양면 코팅 음극의 두께는 135㎛이었다.
(전극조립체의 제조)
분리막으로서 미세 다공 구조를 갖는 두께 16㎛의 폴리프로필렌 필름을 제1 고분자 분리막으로 하고, 솔베이폴리머(Solvey Polymer)사의 폴리비닐리덴플루오라이드-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체 32008를 겔화 2차 고분자로 하는 다층 고분자 필름을 사용하였다.
상기에서 제조된 양극물질이 양극집전체에 양면 코팅된 단위양극을 7.8 cm × 10.6 cm 크기의 직사각형으로 탭을 낼 자리는 제외하고 절단함으로써 양극 조립체를 제조하였다.
한편, 음극물질이 음극집전체에 양면 코팅된 음극을 80 cm × 108 cm 크기의 직사각형으로 탭을 낼 자리는 제외하고 절단한 후, 양극과 음극의 사이에 상기에서 제조된 다층 고분자 필름을 84 cm × 112 cm 크기로 잘라서 전극조립체를 제조하였다.
(전기화학소자의 제조)
상기에서 제조된 전극조립체를 중첩하되, 각 전극조립체들의 중첩부에는 상기에서 제조된 다층 고분자 필름이 지그재그 형태로 위치될 수 있도록 조립하였다.
(전지 제조)
상기 제조된 전기화학소자를 알루미늄 라미네이트 포장재에 넣고, EC/EMC/DEC/PC in LiPF6인 전해질을 주입한 후 포장하였다.
실시예 2
(다공성 도전체의 제조)
두께 12um의 알루미늄 포일 원단에 기공의 평균직경(pore size) 900nm, 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(pitch) 450nm의 값을 입력하고, 스캐너를 통해 포일의 size를 확인 후 이를 레이저를 조사하여 투과도가 65%인 다공성 도전체(A)를 확보하였다.
(전지제조)
실시예 1과 동일한 방법에 의하여 전지를 제조하되, 다공성 도전체로는 상기 제조된 투과도가 65%, 기공 평균 직경이 900nm, 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(pitch)가 450nm, 두께 12㎛의 알루미늄 호일을 사용하였다.
실시예 3
(다공성 도전체의 제조)
두께 10um의 알루미늄 포일 원단에 기공의 평균직경(pore size) 600nm, 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(pitch) 400nm의 값을 입력하고, 스캐너를 통해 포일의 size를 확인 후 이를 레이저를 조사하여 투과도가 55%인 다공성 도전체(A)를 확보하였다.
(전지제조)
실시예 1과 동일한 방법에 의하여 전지를 제조하되, 다공성 도전체로는 상기 제조된 투과도가 55%, 기공 평균 직경이 600nm, 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(pitch)가 400nm, 두께 10㎛의 알루미늄 호일을 사용하였다.
실시예 4
(전극조립체의 제조)
실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 양극, 음극, 다공성 도전체를 사용하여 전극조립체를 제조하되, 상기에서 제조된 양극물질이 양극집전체에 양면 코팅된 단위양극을 7.8 cm × 10.6 cm 크기의 직사각형으로 탭을 낼 자리는 제외하고 절단하고, 같은 방법으로 제조한 또 다른 단위양극을 같은 방법으로 재단한 후, 140℃의 롤 라미네이터에 통과시켜 열 융착하여 줌으로써, 2개의 양극이 다열적층된 하나의 양극 조립체를 전지에 사용하였다.
비교예 1
실시예1과 동일한 방법으로 전극조립체, 전기화학소자, 전지를 제조하되, 양극에 사용되는 다공성 도전체(집전체)로서 기공이 형성되지 않은, 일반적인 두께 10㎛의 알루미늄 호일을 사용하였다.
비교예 2
(다공성 도전체의 제조)
두께 10um의 알루미늄 포일 원단에 기공의 평균직경(pore size) 250nm, 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(pitch) 500nm의 값을 입력하고, 스캐너를 통해 포일의 size를 확인 후 이를 레이저를 조사하여 투과도가 35%인 다공성 도전체(A)를 확보하였다.
(전지제조)
실시예 1과 동일한 방법에 의하여 전지를 제조하되, 다공성 도전체로는 상기 제조된 투과도가 35%, 기공 평균 직경이 250nm, 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(pitch)가 500nm, 두께 10㎛의 알루미늄 호일을 사용하였다.
비교예 3
(다공성 도전체의 제조)
두께 10um의 알루미늄 포일 원단에 기공의 평균직경(pore size) 280nm, 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(pitch) 224nm의 값을 입력하고, 스캐너를 통해 포일의 size를 확인 후 이를 레이저를 조사하여 투과도가 27%인 다공성 도전체를 확보하였다.
(전지제조)
실시예 1과 동일한 방법에 의하여 전지를 제조하되, 다공성 도전체로는 상기 제조된 투과도가 27%, 기공 평균 직경이 280nm, 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(pitch)가 224nm, 두께 10㎛의 알루미늄 호일을 사용하였다.
비교예 4
(다공성 도전체의 제조)
두께 10um의 알루미늄 포일 원단에 기공의 평균직경(pore size) 390nm, 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(pitch) 312nm의 값 입력하고, 스캐너를 통해 포일의 size를 확인 후 이를 레이저를 조사하여 투과도가 30%인 다공성 도전체를 확보하였다.
(전지제조)
실시예 1과 동일한 방법에 의하여 전지를 제조하되, 다공성 도전체로는 상기 제조된 투과도가 30%, 기공 평균 직경이 390nm, 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(pitch)가 312nm, 두께 10㎛의 알루미늄 호일을 사용하였다.
비교예 5
(다공성 도전체의 제조)
두께 10um의 알루미늄 포일 원단에 기공의 평균직경(pore size) 680nm, 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(pitch) 554nm의 값 입력하고, 스캐너를 통해 포일의 size를 확인 후 이를 레이저를 조사하여 투과도가 34%인 다공성 도전체를 확보하였다.
(전지제조)
실시예 1과 동일한 방법에 의하여 전지를 제조하되, 다공성 도전체로는 상기 제조된 투과도가 34%, 기공 평균 직경이 680nm, 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(pitch)가 554nm, 두께 10㎛의 알루미늄 호일을 사용하였다.
평가
(1) 저항, 수명 및 용량특성 평가
상기 실시예 및 비교예에 의해 제조된 전지의 양극에 걸리는 저항, 수명 및 용량을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
저항 평가방법:
① SOC 50%에서 OCV 측정,
② 5C pulse 10sec 방전(CCV 측정)
③ Rest 40sec, OCV 측정
④ 3C pulse 10sec 충전(CCV측정)
R방전 = I(5C current)/V(①-②)
R충전 = I(3C current)/V(③-④)
수명특성 평가방법:
충전 2C, 4.2V(CC/CV), 0.1C cut off, rest 10min,
방전 2C, 2.5V(CV), rest 10min
상기의 방식으로 충전 후 방전용량을 1회 사이클로 하여 방전용량이 80%열화되는 시점까지 사이클을 진행하였다.
용량특성 평가방법:
충전 1C, 4.2V(CC/CV), 0.1C cut off, rest 10min,
방전 1C, 2.5V(CV), rest 10min
상기와 같은 방식으로 방전하여 용량특성을 확인하였다.
　 양극
적층
갯수
(n)		 다공성 도전체
두께
(㎛)		 투과도
(%)		 기공평균
직경(nm)		 DC-IR(%) 출력(%) 수명특성(%)
(2C rate Full DOD at 1000cy)
실시예1 1 10 50 510 105 95 89
실시예2 1 12 65 900 108 92 83
실시예3 1 10 55 600 119 81 77
실시예4 2 10 50 510 100 100 100
비교예1 1 10 - - 198 23 36
비교예2 1 10 35 250 176 44 49
비교예3 1 10 27 280 189 31 45
비교예4 1 10 30 390 156 58 52
비교예5 1 10 34 680 134 66 62
(2) 안전성 평가
상기 실시예 및 비교예에 의해 제조된 전지에 대하여 하기의 방법으로 못 관통(nail penetration) 실험을 진행하고, 그에 따른 EUCAR hazard level을 판정한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
Nail penetration 테스트:
충전 2C, 4.2V(CC/CV), 0.1C cut off, rest 10min,
못 관통(nail penetration): Pin 직경=Φ4, pin 속도=80mm/s
　 양극
적층
갯수
(n)		 다공성 도전체
두께
(㎛)		 투과도
(%)		 기공평균
직경(nm)		 Nail penetration
EUCAR hazard level
실시예1 1 10 50 510 L4
실시예2 1 12 65 900 L4
실시예3 1 10 55 600 L3
실시예4 2 10 50 510 L4
비교예1 1 10 - - L4
비교예2 1 10 35 250 L3
비교예3 1 10 27 280 L3
비교예4 1 10 30 390 L3
비교예5 1 10 34 680 L3
상기 결과에서, 본 발명의 실시예와 같이 다공성 도전체를 전극에 도입한 경우, 저항이 현저히 감소되고, 이에 따라 수명특성, 용량특성이 우수해지는 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
즉, 본 발명의 다공성 도전체로 형성된 집전체에 의하면, 고에너지, 고출력을 위해 다열 적층된 전극을 포함하는 이차전지의 전극 내 저항을 감소시키고, 리튬이온의 이동을 원활하게 함으로써, 이를 포함하고 있는 이차전지의 출력 및 수명향상 효과를 얻을 수 있다는 사실을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예와 같은 다공성 도전체를 도입할 경우, 리튬이온의 이동 및 확산이 용이하고, 못 관통(nail penetration)실험을 진행하더라도 외부 충격에 따른 단락회로(short circuit) 구성 시 발생되는 줄열(Joule's heat)에 의해 다공성 도전체가 열린 회로 상태가 되어 전지의 안전성을 확보할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 이차전지의 전극에 포함되는 집전체로서,
    상기 집전체는 다공성 도전체를 포함하며,
    다공성 도전체에 형성된 다수의 기공은 2차원 또는 3차원의 형상을 갖고, 다수의 기공 중 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(d)와 기공의 평균 직경(D)은 하기의 식 1을 만족하며,
    상기 다공성 도전체의 투과도는 50~65%이고 기공의 평균직경이 510~900nm여서 수명특성이 77~100%(여기서, 상기 수명특성은 2C rate의 충전 후 방전용량을 1 사이클로 하여, 1000 사이클에서의 전체 DOD임)로 향상되는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극용 집전체.
    [식 1]
    0.8d ≤ D ≤ 2d
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 도전체에 형성된 다수의 기공 중 어느 하나의 기공으로부터 가장 가까운 기공까지의 거리(d)는 0.375~0.45㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지 전극용 집전체.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 도전체의 재질은 알루미늄 포일, 구리 포일, 니켈 포일, 구리 메쉬, 탄소 메쉬 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지 전극용 집전체.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 도전체의 두께는 4~30㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지 전극용 집전체.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 도전체는 3차원의 열린 기공 또는 닫힌 기공을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극용 집전체.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 도전체는 2차원의 열린 기공 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극용 집전체.
  9. 제 1항의 집전체를 포함하는 전극조립체.
  10. 제 1항의 집전체를 포함하는 이차전지.
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