KR102488974B1 - 양극과 이를 포함하는 전기화학 장치 및 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 양극과 이를 포함하는 전기화학 장치 및 전자 장치에 관한 것이다. 본 출원의 일부 실시예는 양극을 제공하며, 여기에는 집전체, 제1 물질층 및 제2 물질층이 포함된다. 상기 제1 물질층은 제1 물질을 포함하고, 상기 제2 물질층은 제2 물질을 포함한다. 상기 제2 물질은 일반식 Li3Ti2-xM2x(PO4)3으로 표시되는 티타늄 인산화물 리튬염을 포함하고, 상기 제2 물질층은 상기 집전체와 상기 제1 물질층 사이에 설치된다. 본 출원의 양극은 인산염 및 티타늄 인산화물 리튬염 중 적어도 하나를 포함하는 이중층 구조를 설치함으로써 양극 중의 집전체와 음극 물질층이 직접적으로 접촉하는 것을 방지하고, 제1 물질층의 안정성을 최적화하여 전기화학 장치의 순환 성능, 전기화학 안정성 및 안전성을 현저하게 향상시킨다.

Description

양극과 이를 포함하는 전기화학 장치 및 전자 장치
본 출원은 에너지 저장 기술 분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극과 이를 포함하는 전기화학 장치 및 전자 장치에 관한 것이다.
전기화학 장치(예를 들어, 리튬이온 배터리)에서 양극 물질은 중요한 성분으로 전기화학 장치의 성능에 현저한 영향을 미친다. 노트북 컴퓨터, 휴대폰, 휴대용 게임기, 태블릿 컴퓨터, 모바일 전원 공급 장치 및 드론 등과 같은 소비가전류의 제품이 대중화됨에 따라, 고에너지 밀도의 전기화학 장치를 추구하는 것이 필연적인 발전 추세가 되었으며, 전기화학 장치의 에너지 밀도를 높이는 방법 중 하나가 고에너지 밀도의 양극 물질을 갖추는 것이다. 그러나 고에너지 밀도의 양극 물질은 그 안전성에 대한 기준이 더욱 높기 때문에, 전해액 또는 전극 어셈블리 구조 등 측면으로만 전기화학 장치의 안전성을 개선하는 데에는 효과가 제한적이다.
고에너지 밀도의 전기화학 장치를 개선하는 것은 일반적으로 양극 활물질을 도핑하거나 그 표면을 코팅함으로써 그 열 안정성 및 구조 안정성을 변경하는 것이다. 다른 방법은 전해액에 불활성 첨가제 또는 표면 첨가제를 첨가해 계면 막을 형성함으로써 전기화학 장치의 순환 안정성을 유지하는 것이다. 그러나 상기 방법 모두 전기화학 장치의 동특성, 순환 성능 및 에너지 밀도를 저하시킬 위험이 있다.
전기화학 장치 내부의 전기화학적 안정성, 순환 성능 및 안전성을 더욱 개선하기 위해 양극의 구조 및 물질을 더욱 개선하고 설계할 필요가 있다.
본 출원은 양극 및 이를 포함한 전기화학 장치 및 전자 장치를 제공함으로써 관련 분야에 존재하는 적어도 하나의 문제를 어느 정도 해결하고자 한다.
본 출원의 일 양상에 있어서, 본 출원 실시예는 양극을 제공하며, 여기에는 집전체, 제1 물질층 및 제2 물질층이 포함된다. 상기 제1 물질층은 제1 물질을 포함하고, 상기 제2 물질층은 제2 물질을 포함한다. 상기 제2 물질은 일반식 Li3Ti2-xM2x(PO4)3으로 표시되는 티타늄 인산화물 리튬염 중 적어도 하나를 포함하고, 여기에서 M2는 V, Sc, Ge, Al 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고, 0≤x<2이고, 상기 제2 물질층은 상기 집전체와 상기 제1 물질층 사이에 설치된다.
본 출원의 다른 일 양상에 있어서, 본 출원의 실시예는 음극, 분리막, 및 상기 양극을 포함하는 전기화학 장치를 제공한다.
본 출원의 다른 일 양상에 있어서, 본 출원의 실시예는 상기 전기화학 장치를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
본 출원 실시예의 추가 양상 및 장점은 이하에서 부분적으로 설명, 도시하거나 본 출원 실시예의 실시를 통해 설명한다.
이하에서는 본 출원 실시예에 대한 설명상 편의를 위해 본 출원 실시예 또는 종래 기술의 설명에 필요한 첨부도면을 간략하게 소개한다. 이하의 설명에서 도면은 본 출원의 일부 실시예에 불과하다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 창조적 노력 없이 이러한 첨부도면에서 예시된 구조에 따라 다른 실시예의 첨부도면을 획득할 수 있다.
도 1은 본 출원의 일부 실시예에 따른 양극의 구조도이다.
본 출원의 실시예는 이하에서 상세히 설명한다. 본 출원 명세서 전체에서 동일하거나 유사한 구성요소 및 동일하거나 유사한 기능을 갖는 구성요소는 유사한 도면 부호로 표시된다. 여기에서 설명된 첨부도면 관련 실시예는 설명과 해석을 위한 것이며 본 출원에 대한 기본적인 이해를 위해 제공된다. 본 출원의 실시예는 본 출원을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에서 사용된 용어 "대략적으로", "대체적으로", "실질적으로" 및 "약"은 작은 변화를 기술 및 설명하기 위한 것이다. 사건 또는 상황에 결합되어 사용될 때, 상기 용어는 그중 사건 또는 상황이 정확하게 발생하는 예시 및 사건 또는 상황이 매우 근접하게 발생하는 예시를 의미할 수 있다. 예를 들어, 수치와 함께 사용되는 경우, 용어는 상기 수치의 ±10% 이하의 변동 범위를 의미할 수 있으며, 예를 들어 ±5% 이하, ±4% 이하, ±3% 이하, ±2% 이하, ±1% 이하, ±0.5% 이하, ±0.1% 이하 또는 ±0.05% 이하이다. 예를 들어, 두 값 사이의 차이가 상기 값 평균의 ±10 % 이하(예를 들어, ±5% 이하, ±4% 이하, ±3% 이하, ±2% 이하, ±1% 이하, ±0.5% 이하, ±0.1% 이하 또는 ±0.05% 이하)인 경우, 상기 두 값은 "대체적으로" 동일한 것으로 간주될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 특별히 지정되거나 한정되지 않는 한, 상대성이 있는 용어, 예를 들어 "중앙의", "종방향의", "측방향의", "전방의", "후방의", "우측의", "좌측의", "내부의", "외부의", "비교적 낮은", "비교적 높은", "수평의", "수직의", "높은", "낮은", "상방의", "하방의", "꼭대기부의", "바닥부의" 및 이의 파생 용어(예를 들어 "수평으로", "아래로", "위로" 등)는 논의 중 설명되거나 도면에서 도시되는 방향을 인용한 것으로 해석해야 한다. 이러한 상대성이 있는 용어는 설명상 편의를 위해서만 사용되며, 본 출원을 특정한 방향으로 구성 또는 조작할 것을 요구하지 않는다.
또한 설명상 편의를 위해 "제1", "제2", "제3" 등은 본원에서 하나의 도면 또는 일련의 도면의 상이한 구성요소를 구별하기 위한 것일 수 있다. "제1", "제2", "제3" 등은 대응하는 구성요소를 설명하기 위한 것이 아니다.
또한 종종 본원에서 범위 형식으로 수량, 비율 및 기타 수치를 나타낸다. 이러한 범위 형식은 설명상 편의성과 간결성을 위한 것이며, 명시적으로 지정된 범위로 제한되는 수치를 포함할 뿐만 아니라 상기 범위 내의 모든 개별 수치 또는 하위 범위도 포함하며 이는 각각의 수치 및 하위 범위를 명시적으로 지정하는 것과 같이 유연하게 이해되어야 한다.
구체적인 실시방식 및 청구범위에서 용어 "중 적어도 하나", "중 적어도 한 개", "중 적어도 한 종류" 또는 기타 유사한 용어에 의해 연결된 항목의 목록은 나열된 항목의 임의 조합을 의미할 수 있다. 예를 들어, 항목 A와 B가 나열된 경우, "A와 B 중 적어도 하나"라는 문구는 A만, B만 또는 A와 B를 의미한다. 다른 예시에서, 항목 A, B 및 C가 나열된 경우, "A, B 및 C 중 적어도 하나"라는 문구는 A만, B만, C만, A와 B(C는 제외), A와 C(B 제외), B와 C(A 제외), 또는 A, B 및 C 전부를 의미한다. 항목 A는 단일 요소 또는 여러 요소를 포함할 수 있다. 항목 B는 단일 요소 또는 여러 요소를 포함할 수 있다. 항목 C는 단일 요소 또는 여러 요소를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 양상에 있어서, 본 출원의 실시예는 인산염, 티타늄 인산화물 리튬염 또는 이들의 조합의 물질층을 포함하는 다층 구조의 양극을 제공한다. 인산염 및 티타늄 인산화물 리튬염의 전자 전도성이 낮으므로, 양극 활물질층과 집전체 사이에 인산염, 티타늄 인산화물 리튬염 또는 이들의 조합을 포함하는 한 층의 물질층을 설치함으로써, 충방전 순환 과정에서 상기 물질층은 충방전 순환 과정 중 양극 단자의 고전압을 잘 보호할 수 있다. 또한 인산염 및 티타늄 인산화물 리튬염은 고전압 하에서 안정된 구조를 가지므로, 인산염 및 티타늄 인산화물 리튬염의 표면은 다른 물질(예를 들어 탄소 또는 금속 산화물)로 코팅할 필요가 없어 고전압 하에서 양극 내의 각층 계면이 산화되는 것을 줄여준다. 네일링 테스트(nailing test) 또는 충격 테스트와 같은 안전 테스트를 수행할 때, 상기 물질층은 양극의 집전체와 음극 물질층 사이의 직접 접촉을 잘 분리할 수 있어 전기화학 장치의 안전 성능을 향상시킬 수 있다. 종래 기술의 다른 산화물 코팅층(예를 들어 산화 알루미늄)에 비해, 인산염은 가공성 및 안정성이 더욱 우수하여 전체 충방전 과정에서 양극의 두께 변화가 적고 쉽게 탈락하지 않는다. 또한 티타늄 인산화물 리튬염의 리튬 삽입 전위는 약 2.5V이고, 방전 과정에서 리튬이온이 양극 활물질층(제1 물질층) 내에 주로 삽입되며, 티타늄 인산화물 리튬염을 포함하는 물질층(제2 물질층)은 리튬 삽입 반응에 참여하지 않는다. 따라서 상기 물질층(제2 물질층)의 부피 변화 및 생성되는 반응 전류 밀도가 상당히 적고, 나아가 각층 계면의 반응 전류 밀도차가 전기 전도 시스템에 미치는 영향을 줄여주며, 특히 층강 계면에 대한 손상을 줄여 양극 전체 저항의 안정성을 보장한다. 본 출원의 실시예에서 제공하는 양극은 초기 임피던스가 더욱 낮으며, 고온 저장 하에서 임피던스 증가를 저하시킬 수 있다.
도 1은 본 출원의 일부 실시예에 따른 양극의 구조도이다.
도 1에서 도시하는 바와 같이, 양극(10)은 집전체(101), 제1 물질층(102) 및 제2 물질층(103)을 포함한다. 제2 물질층(103)은 집전체(101)와 제1 물질층(102) 사이에 설치된다. 일부 실시예에 있어서, 제1 물질층(102)은 제1 물질을 포함하고, 제1 물질층(103)은 제2 물질을 포함하며, 여기에서 제1 물질과 제2 물질은 같거나 다를 수 있고, 제2 물질은 일반식 Li3Ti2-xM2x(PO4)3으로 표시되는 티타늄 인산화물 리튬염을 포함하고, 여기에서 M2는 V, Sc, Ge, Al 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고, 0≤x<2이다. 도 1에서 양극(10)의 집전체(101)의 양측에 모두 제1 물질층(102)과 제2 물질층(103)의 이중층 구조가 설치되었으나, 도 1은 양극 구조를 설명하기 위한 예시적 실시예에 불과하며, 본 출원 발명의 사상에서 벗어나지 않고 본 기술분야의 통상의 기술자는 실제 수요에 따라 양극을 집전체(101)의 단일측에 설계하거나 또는 양측에 이중층 구조로 설치할 수 있으며 이는 제한되지 않는다는 점을 이해하여야 한다.
일부 실시예에 있어서, 제2 물질층(103)의 두께는 약 2㎛ 내지 약 10㎛이다. 양극(10)의 제2 물질층(103)의 두께는 상기 범위 내에서 제2 물질(인산염 또는 티타늄 인산화물 리튬염)을 더욱 균일하게 집전체 상에 설치할 수 있다. 전기화학 장치는 비교적 바람직한 순환 성능 및 비교적 높은 에너지 밀도를 갖게 된다. 일부 실시예에 있어서, 제2 물질층(103)의 두께는 약 3㎛ 내지 약 7㎛이다.
일부 실시예에 있어서, 제2 물질층(103)의 압축밀도는 약 1.8g/cm3 내지 약 3.1g/cm3이다. 제2 물질층(103)의 압축밀도는 상기 범위 내에서 비교적 안정적인 구조적 강도를 가질 수 있다. 전기화학 장치는 비교적 바람직한 순환 성능 및 비교적 높은 에너지 밀도를 갖게 된다. 일부 실시예에 있어서, 제2 물질층(103)의 압축밀도는 약 2.4g/cm3 내지 약 2.7g/cm3이다.
일부 실시예에 있어서, 제2 물질의 입도 Dv50은 약 0.5㎛ 내지 약 5.0㎛이다. 양극(10)의 제2 물질의 입도 Dv50은 상기 범위 내에서 제2 물질을 더욱 균일하게 집전체 상에 설치할 수 있다. 본원에 있어서, 용어 "Dv50"은 "입도"로도 지칭되며, 부피 기준의 입도 분포에서 작은 입도측으로부터 시작해 부피 누적 50%에 도달하는 입자 크기를 나타낸다.
본 기술분야의 통상의 기술자는 실제 수요에 따라 본 기술분야의 통상의 양극 활물질을 제1 물질로 선택할 수 있음을 이해해야 한다. 일부 실시예에 있어서, 제1 물질은 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물, 리튬 철 인산화물, 리튬 철 망간 인산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬이 풍부한 망간계 물질 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 또한 본 기술분야의 통상의 기술자는 실제 수요에 따라 제1 물질에 대해 전이 금속 원소 도핑 또는 무기 산화물 코팅 등 본 기술분야에서 공지된 양극 활물질 처리를 수행할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 본 출원의 제1 물질은 전이 금속 도핑을 더 포함하며, 예를 들어 Sc, V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Al, Mg, Ti, Zr 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 요소이나 이에 한정되지 않는다. 일부 실시예에 있어서, 본 출원의 제1 물질은 코팅층을 더 포함하고, 상기 코팅층은 B, Al, Zr, C, S 중 적어도 하나의 원소를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
일부 실시예에 있어서, 제2 물질층(103)과 제1 물질층(102)은 양극의 두께 방향을 따르는 표면밀도의 비가 약 1% 내지 약 5%이므로, 전기화학 장치는 비교적 바람직한 순환 성능 및 비교적 높은 에너지 밀도를 갖게 된다. 본원에 있어서, 용어 "표면밀도"는 단위 면적 상의 질량이다.
일부 실시예에 있어서, 제1 물질층(102)의 두께는 약 120㎛ 내지 약 450㎛이다.
일부 실시예에 있어서, 제1 물질층(102)의 압축밀도는 약 4.05g/㎤ 내지 약 4.3g/㎤이다. 일부 실시예에 있어서, 제1 물질층(102)의 압축밀도는 약 4.15g/㎤ 내지 약 4.25g/㎤이다.
일부 실시예에 있어서, 제1 물질의 입도 Dv50은 약 2.5㎛ 내지 약 20㎛이다.
일부 실시예에 있어서, 제2 물질층(103)은 접합제 및 도전제 중 적어도 하나를 더 포함한다.
일부 실시예에 있어서, 제2 물질층(103)의 총 중량을 기준으로, 제2 물질층(103) 내에서 상기 접합제의 함량은 약 1wt% 내지 약 5wt%이다. 일부 실시예에 있어서, 제2 물질층(103)의 총 중량을 기준으로, 제2 물질층 내에서 상기 도전제의 함량은 약 1wt% 내지 약 10wt%이다. 접합제 및 도전제 중 적어도 하나를 첨가함으로써, 제2 물질층(103)의 전자 전도성 및 구조적 안정성이 조정될 수 있어 전기화학 장치의 순환 성능 및 안전 성능이 개선될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 제1 물질층(102)은 접합제 및 도전제 중 적어도 하나를 더 포함한다.
일부 실시예에 있어서, 제1 물질층(102)의 총 중량을 기준으로, 제1 물질층(102) 내에서 상기 접합제의 함량은 약 0.1wt% 내지 약 8wt%이다. 일부 실시예에 있어서, 제1 물질층(102)의 총 중량을 기준으로, 제1 물질층 내에서 상기 도전제의 함량은 약 0.01wt% 내지 약 10wt%이다. 접합제 및 도전제 중 적어도 하나를 첨가함으로써, 제1 물질층(102)의 전자 전도성 및 구조적 안정성이 조정될 수 있어 전기화학 장치의 순환 성능 및 안전 성능이 개선될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 제1 물질층(102) 또는 제2 물질층(103) 내의 접합제는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리(비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로 프로필렌)(poly(vinylidenefluoride-hexafluoro propylene))의 공중합체, 폴리아미드(polyamide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리아크릴산염(polyacrylic acid salt), 카르복시메틸 셀룰로오스 나트륨(sodium carboxymethylcellulose), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐에테르(polyvinyl ether), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리헥사플루오로프로필렌, 스티렌-부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber) 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된다. 일부 실시예에 있어서, 제1 물질층(102) 또는 제2 물질층(103) 내에 사용되는 도전제는 탄소 나노튜브, 탄소 섬유, 전도성 카본 블랙(carbon black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 그래핀, 케첸 블랙(ketjen black) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 실제 수요에 따라 본 기술분야의 통상의 접합제 및 도전제를 선택할 수 있으며 이는 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다.
일부 실시예에 있어서, 본 출원의 양극을 제조하는 방법은 하기 단계를 포함한다.
1. 제2 물질, 접합제 및 도전제를 고정 중량비에 따라 혼합하고 이를 희석 용매(N-메틸피롤리돈(NMP))에 용해시켜 충분히 혼합 및 교반하여 제2 물질층 슬러리를 형성하고, 이어서 상기 제2 물질층 슬러리를 집전체의 한 면 또는 두 면 상에 균일하게 도포한다. 건조 및 냉간 압착 공정을 거쳐 바닥층 막편(제2 물질층)을 수득한다.
2. 양극 물질(제1 물질), 접합제 및 도전제를 고정 중량비에 따라 혼합하고 이를 희석 용매(N-메틸피롤리돈(NMP))에 용해시켜 충분히 혼합 및 교반하여 제1 물질층 슬러리를 형성하고, 이어서 상기 제1 물질층 슬러리를 상기 바닥층 막편의 노출된 표면 상에 균일하게 도포한다. 건조 및 냉간 압착 공정을 거쳐 이중층 구조를 가진 양극을 수득한다.
본 출원의 실시예에서 양극의 제조 방법은 본 기술분야의 통상의 방법일 수 있으며 이는 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다.
본 출원의 일부 실시예는 본 출원의 양극을 포함하는 전기화학 장치를 더 제공한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 전기화학 장치는 리튬이온 배터리이다. 상기 리튬이온 배터리는 본 출원에 따른 양극, 음극 및 분리막을 포함하고, 여기에서 분리막은 양극과 음극 사이에 설치된다.
일부 실시예에 있어서, 본 출원의 양극의 집전체는 알루미늄 포일 또는 니켈 포일일 수 있고, 음극의 집전체는 구리 포일 또는 니켈 포일 일 수 있으나, 본 기술분야의 통상적인 기타 양극 집전체 및 음극 집전체를 채택할 수 있으며 이는 제한되지 않는다.
일부 실시예에 있어서, 음극은 리튬(Li)을 흡수 및 방출할 수 있는 음극 물질(이하, "리튬(Li)을 흡수/방출할 수 있는 음극 물질"이라고도 칭함)을 포함한다. 리튬(Li)을 흡수/방출할 수 있는 음극 물질의 예로는 탄소 재료, 금속 화합물, 산화물, 황화물, 리튬의 질화물, 예를 들어 LiN3, 리튬 금속, 리튬과 함께 합금을 형성한 금속 및 폴리머 물질이 포함될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 분리막은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리이미드(polyimide) 및 아라미드(aramid) 중 하나 이상으로부터 선택되나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 폴리에틸렌은 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌 및 초고분자량 폴리에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 성분을 포함한다. 특히 폴리에틸렌과 폴리프로필렌은 단락을 방지하는 데 효과적이며, 차단 효과를 통해 리튬이온 배터리의 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 출원의 리튬이온 배터리는 전해질을 더 포함하며, 상기 전해질은 겔 전해질, 고체 전해질 및 전해액 중 하나 이상일 수 있고, 전해액은 리튬염과 비수성 용매를 포함한다.
일부 실시예에 있어서, 상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiClO4, LiB(C6H5)4, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiC(SO2CF3)3, LiSiF6, LiBOB 및 리튬 디플루오로보레이트(lithium difluoborate) 중 하나 이상으로부터 선택된다. 예를 들어, LiPF6은 높은 이온 전도성을 제공하고 순환 특성을 향상시킬 수 있기 때문에 리튬염으로 사용된다.
상기 비수성 용매는 카보네이트(carbonate) 화합물, 카르복실산 에스테르(carboxylic ester) 화합물, 에테르 화합물, 기타 유기 용매 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 카보네이트 화합물은 체인형 카보네이트 화합물, 고리형 카보네이트 화합물, 플루오르화 카보네이트 화합물 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 체인형 카보네이트 화합물의 예로는 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디프로필 카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 메틸 프로필 카보네이트(methyl propyl carbonate, MPC), 에틸 프로필 카보네이트(ethyl propyl carbonate, EPC), 메틸 에틸 카보네이트(methyl ethyl carbonate, MEC) 및 이들의 조합이 있다. 상기 고리형 카보네이트 화합물의 예로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 부틸렌 카보네이트(butylene carbonate, BC), 비닐 에틸렌 카보네이트(vinyl ethylene carbonate, VEC), 프로필 프로피오네이트(propyl propionate, PP) 및 이들의 조합이 있다. 상기 플루오르화 카보네이트 화합물의 예로는 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC), 1,2-디플루오로에틸렌 카보네이트(1,2-difluoroethylene carbonate), 1,1-디플루오로에틸렌 카보네이트, 1,1,2-트리플루오로에틸렌 카보네이트(1,1,2-trifluoroethylene carbonate), 1,1,2,2- 테트라플루오로에틸렌 카보네이트(1,1,2,2-tetrafluoroethylene carbonate), 1-플루오로-2-메틸에틸렌 카보네이트(1-fluoro-2-methylethylene carbonate), 1-플루오로-1-메틸에틸렌 카보네이트, 1,2-디플루오로-1-메틸에틸렌 카보네이트(1,2-difluoro-1-methylethylene carbonate), 1,1,2-트리플루오로-2-메틸에틸렌 카보네이트(1,1,2-trifluoro-2-methylethylene carbonate), 트리플루오로메틸에틸렌 카보네이트(trifluoromethylethylene carbonate) 및 이들의 조합이 있다.
상기 카르복실산 에스테르 화합물의 예로는 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), n-프로필 아세테이트(n-propyl acetate), tert-부틸 아세테이트(t-butyl acetate), 메틸 프로피오네이트(methyl propionate), 에틸 프로피오네이트(ethyl propionate), 프로필 프로피오네이트(propyl propionate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), 데카락톤(decalactone), 발레롤락톤(valerolactone), 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone), 메틸 포르메이트(methyl formate) 및 이들의 조합이 있다.
상기 에테르 화합물의 예로는 디부틸 에테르(dibutyl ether), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(diethylene glycol dimethyl ether), 1,2-디메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane), 1,2-디에톡시에탄(1,2-diethoxyethane), 에톡시메톡시에탄(ethoxymethoxyethane), 2-메틸테트라히드로푸란(2-methyltetrahydrofuran), 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran) 및 이들의 조합이 있다.
상기 기타 유기 용매의 예로는 디메틸 술폭시드(dimethyl sulfoxide), 1,2-디옥솔란(1,2-dioxolane), 술포란(sulfolane), 메틸 술포란(methyl sulfolane), 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논(1,3-dimethyl-2-imidazolidinone), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone), 포름아미드(formamide), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 아세토니트릴(acetonitrile), 트리메틸 포스페이트(trimethyl phosphate), 트리에틸 포스페이트(triethyl phosphate), 트리옥틸 포스페이트(trioctyl phosphate) 및 포스페이트(phosphate) 및 이들의 조합이 있다.
일부 실시예에 있어서, 상기 리튬이온 배터리의 제조 방법은, 상기 실시예에서 양극, 분리막 및 음극을 순서대로 감거나 절첩하거나 적층하여 전극 어셈블리로 만들고, 상기 전극 어셈블리를 예를 들어 알루미늄 플라스틱 막 내에 넣고 전해액을 주입하며, 이어서 진공 패키징, 정치, 화성, 정형 등의 공정을 수행하여 리튬이온 배터리를 수득하는 단계를 포함한다.
본 기술분야의 통상의 기술자는 비록 상기에서 리튬이온 배터리를 예시로 들어 설명하였으나, 통상의 기술자가 본 출원을 읽은 후 본 출원의 양극을 다른 적합한 전기화학 장치에 사용하는 것을 용이하게 생각할 수 있음을 이해한다. 이러한 전기화학 장치는 전기화학 반응을 일으키는 임의 장치를 포함하고, 이의 구체적인 실례에는 모든 종류의 일차전지, 이차전지, 연료전지, 태양전지 또는 커패시터가 포함된다. 특히, 상기 전기화학 장치는 리튬 이차전지이며, 여기에는 리튬금속 이차전지, 리튬이온 이차전지, 리튬폴리머 이차전지 또는 리튬이온 폴리머 이차전지가 포함된다.
본 출원의 일부 실시예는 전자 장치를 더 제공하며, 상기 전자 장치는 본 출원의 실시예의 전기화학 장치를 포함한다.
본 출원 실시예의 전자 장치는 특별히 제한되지 않으며, 종래 기술에서 공지된 임의 전자 장치에 사용될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 본 출원의 전자 장치는 노트북 컴퓨터, 펜 입력식 컴퓨터, 모바일 컴퓨터, 전자책 플레이어, 휴대폰, 휴대용 팩스기, 휴대용 복사기, 휴대용 프린터, 헤드셋 타입 스테레오 헤드폰, 비디오 레코더, LCD TV, 휴대용 클리너, 휴대용 CD 플레이어, 미니 디스크, 트랜시버, 전자 노트북, 계산기, 메모리 카드, 휴대용 레코더, 라디오, 백업 전원 공급 장치, 모터, 자동차, 오토바이, 동력 보조 자전거, 자전거, 조명기구, 완구, 게임기, 시계, 전동 공구, 손전등, 카메라, 가정용 대형 축전지 및 리튬이온 커패시터 등을 포함할 수 있다.
구체적인 실시예
이하에서는 일부 구체적인 실시예와 비교예를 나열하였으며 각각 그 전기화학 장치(리튬이온 배터리)에 대하여 고온 저장 임피던스 테스트, 네일링 테스트 및 충격 테스트를 수행하여 본 출원의 기술적 해결책을 더욱 상세하게 설명하였다.
용량 테스트:
실시예 및 비교예의 리튬이온 배터리를 25℃±2℃의 인큐베이터에 넣고, 0.5C 정전류로 4.45V까지 충전한 후 4.45V 정전압으로 0.02C보다 낮은 전류까지 충전하여, 리튬이온 배터리를 완전히 충전된 상태로 만든다. 30분 동안 방치한 후, 0.2C 배율로 리튬이온 배터리를 3.0V까지 방전시킨다. 30분 동안 방치한 후, 방전 용량을 리튬이온 배터리의 실제 배터리 용량으로 취한다. 각 군으로부터 5개의 리튬이온 배터리를 취하여, 리튬이온 배터리의 에너지 밀도(그램 용량)의 평균값을 계산한다.
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고온 저장 임피던스 테스트
실시예 및 비교예의 리튬이온 배터리를 25℃±2℃의 인큐베이터에 넣고, 0.5C 정전류로 4.45V까지 충전한 후 4.45V 정전압으로 0.02C보다 낮은 전류까지 충전하여, 리튬이온 배터리를 완전히 충전된 상태로 만든다. 완전히 충전된 상태에서 리튬이온 배터리의 임피던스(IMP)를 초기 임피던스로 기록한다. 이어서, 리튬이온 배터리를 85℃±2℃의 오븐에 넣고 6시간 동안 정치한 후, 고온 저장 후 리튬이온 배터리의 임피던스를 테스트 임피던스로 기록한다. 각 군으로부터 5개의 리튬이온 배터리를 취하여, 리튬이온 배터리의 고온 저장 임피던스 증가율의 평균값을 계산한다. 리튬이온 배터리의 고온 저장 임피던스 증가율＝(테스트 임피던스-초기 임피던스)/초기 임피던스×100%이다.
네일링 테스트
리튬이온 배터리를 25℃ 인큐베이터에 넣고 30분 동안 정치하여 리튬이온 배터리가 항온에 도달하도록 한다. 항온에 도달한 리튬이온 배터리를 0.5C 정전류로 4.45V 전압까지 충전한 다음, 4.45V 정전압으로 0.02C보다 낮은 전류까지 충전하여 리튬이온 배터리를 완전히 충전된 상태로 만든다. 완전히 충전된 상태의 리튬이온 배터리를 네일링 테스트기로 옮기고, 테스트 환경 온도를 25℃±2℃로 유지하고 직경 4mm의 강네일(steel nail)을 사용하여 30mm/s의 균일한 속도로 리튬이온 배터리의 중앙을 관통시키며, 300초 동안 연기, 화재, 폭발을 일으키지 않은 리튬이온 배터리는 통과한 것으로 기록한다. 매회 10개의 리튬이온 배터리를 테스트하며, 네일링 테스트를 통과한 리튬이온 배터리의 수를 리튬이온 배터리의 안전 성능 평가 지표로 사용한다.
충격 테스트
리튬이온 배터리를 25℃ 인큐베이터에 넣고 30분 동안 정치하여 리튬이온 배터리가 항온에 도달하도록 한다. 항온에 도달한 리튬이온 배터리를 0.5C 정전류로 4.45V 전압까지 충전한 다음, 4.45V 정전압으로 0.02C보다 낮은 전류까지 충전하여 리튬이온 배터리를 완전히 충전된 상태로 만든다. 완전히 충전된 상태의 리튬이온 배터리를 충격 테스트기로 옮기고, 테스트 환경 온도를 25℃±2℃로 유지하며, 직경 15.8±0.2mm, 길이 7cm 이상의 스틸 바(steel bar)를 리튬이온 배터리 중앙에 수직으로 놓고, 중량이 9.1±0.1kg인 스틸 해머(steel hammer)를 이용하여 리튬이온 배터리 중앙으로부터 거리가 61±2.5cm인 지점에서 수직으로 자유 낙하시켜 스틸 바를 가격함으로써 리튬이온 배터리에 충격을 가한다. 충돌 후 300초 동안 연기, 화재, 폭발을 일으키지 않는 리튬배터리는 통과한 것으로 기록한다. 매회 10개의 리튬이온 배터리를 테스트하며, 충격 테스트를 통과한 리튬이온 배터리의 수를 리튬이온 배터리의 안전 성능 평가 지표로 사용한다.
음극의 제조
음극 집전체로 구리 포일을 사용하고, 음극 집전체 표면에 흑연 슬러리(음극 물질층)을 균일하게 도포하며, 흑연 슬러리의 성분은 인조 흑연 95wt%, 아세틸렌 블랙 2wt%, 스티렌-부타디엔 고무 2wt% 및 카르복시메틸 셀룰로오스 나트륨 1wt%이고, 이어서 흑연 슬러리로 코팅된 음극 집전체를 120℃에서 1시간 동안 베이킹한 다음, 냉간 압착, 절단 및 슬리팅(slitting)하여 음극을 제조한다.
전해액의 제조
수분 함량이 10ppm 미만인 환경에서, 리튬 헥사플루오로포스페이트와 비수성 유기 용매(에틸렌 카보네이트(EC):프로필렌 카보네이트(PC):디에틸 카보네이트(DEC)=1:1:1, 질량비)를 8:92의 질량비로 배합하여 전해액을 형성한다.
리튬이온 배터리의 제조
이하 제조 방법으로 실시예과 비교예 중의 양극을 리튬이온 배터리로 제조한다. 구체적으로는, 폴리에틸렌막을 분리막으로 사용하고, 하기 실시예와 비교예에서 제조된 양극을 양극, 분리막, 상기 음극의 순서로 적층함으로써, 분리막이 양극과 음극 중간에서 분리 작용을 하도록 만든 후 전극 어셈블리로 감는다. 이어서, 상기 전극 어셈블리를 알루미늄 플라스틱막 포장백에 넣고 80℃ 하에서 수분을 제거하여 건식 전극 어셈블리를 수득한다. 이어서, 상기 전해액을 건식 전극 어셈블리에 주입하고, 진공 패키징, 정치, 화성 및 정형 등 공정을 거쳐 하기 각 실시예와 비교예의 리튬이온 배터리 제조를 완료한다.
실시예 1
입도 Dv50가 1.0㎛인 인산철(FePO4)을 제2 물질로 사용하여 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 아세틸렌 블랙과 중량비 96:2:2의 비율로 N-메틸피롤리돈(NMP) 용액에 용해시켜 제2 물질층 슬러리를 형성한다. 알루미늄 포일을 집전체로 사용하고, 제2 물질층 슬러리를 집전체 표면 상에 코팅하며, 건조 및 냉간 압축을 거쳐 바닥층 막편(제2 물질층)을 수득하며, 여기에서 바닥층 막편 중의 제2 물질층의 두께는 5㎛이고 압축밀도는 2.5g/cm3이다.
리튬 코발트 산화물(Dv50이 12㎛), 아세틸렌 블랙 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 97:2:1의 중량비로 N-메틸피롤리돈 용액에 용해시켜 제1 물질층 슬러리를 형성한다. 이어서, 제1 물질층 슬러리를 바닥층 막편 중의 제2 물질층의 노출된 표면 상에 도포한다. 건조, 냉간 압착 및 절단 후 양극을 수득하며, 여기에서 상기 제1 물질층의 두께는 300㎛이고 압축밀도는 4.2g/cm3이다.
실시예 2
실시예 1의 제조방법과 동일하며, 다른 점은 실시예 2에서 인산철의 입도 Dv50가 1.5㎛라는 것이다.
실시예 3
실시예 1의 제조방법과 동일하며, 다른 점은 실시예 3에서 인산철의 입도 Dv50가 2.0㎛라는 것이다.
실시예 4
실시예 1의 제조방법과 동일하며, 다른 점은 실시예 4에서 인산철의 입도 Dv50가 2.5㎛라는 것이다.
실시예 5
실시예 1의 제조방법과 동일하며, 다른 점은 실시예 5에서 인산철의 입도 Dv50가 5.0㎛라는 것이다.
실시예 6
실시예 2의 제조방법과 동일하며, 다른 점은 실시예 6에서 제2 물질층의 두께가 2㎛라는 것이다.
실시예 7
실시예 2의 제조방법과 동일하며, 다른 점은 실시예 7에서 제2 물질층의 두께가 7㎛라는 것이다.
실시예 8
실시예 2의 제조방법과 동일하며, 다른 점은 실시예 8에서 제2 물질층의 두께가 10㎛라는 것이다.
실시예 9 내지 11
실시예 2의 제조방법과 동일하며, 다른 점은 실시예 9에서 인산티탄(TiPO4)을 제2 물질로 채택하고, 실시예 10에서 인산망간(MnPO4)을 제2 물질로 채택하고, 실시예 11에서 인산코발트(CoPO4)를 제2 물질로 채택한다는 것이다.
실시예 12 내지 19
공정 순서는 실시에 1 내지 8의 제조 방법과 동일하며, 다른 점은 실시예 12 내지 19에서 리튬 티타늄 인산화물(Li3Ti2(PO4)3)을 제2 물질로 채택하고, 리튬 티타늄 인산화물(Li3Ti2(PO4)3)과 폴리비닐리덴플루오라이드, 아세틸렌 블랙을 96:2.5:1.5의 중량비로 N-메틸피롤리돈(NMP) 용액에 용해시킨다는 것이다.
실시예 20
공정 순서는 실시에 13의 제조 방법과 동일하며, 다른 점은 실시예 20에서 리튬 티타늄 인산화물(Li3Ti2(PO4)3)을 제2 물질로 채택하고, 리튬 티타늄 인산화물(Li3Ti2(PO4)3)과 폴리비닐리덴플루오라이드, 아세틸렌 블랙을 96:3:1의 중량비로 N-메틸피롤리돈(NMP) 용액에 용해시킨다는 것이다.
실시예 21
공정 순서는 실시에 13의 제조 방법과 동일하며, 다른 점은 실시예 20에서 리튬 티타늄 인산화물(Li3Ti2(PO4)3)을 제2 물질로 채택하고, 리튬 티타늄 인산화물(Li3Ti2(PO4)3)과 폴리비닐리덴플루오라이드, 아세틸렌 블랙을 96:2:2의 중량비로 N-메틸피롤리돈(NMP) 용액에 용해시킨다는 것이다.
실시예 22 내지 25
실시예 13의 제조 방법과 동일하며, 다른 점은 실시예 22에서 바나듐(vanadium) 도핑형 리튬 티타늄 인산화물(Li3Ti1.99V0.01(PO4)3)을 제2 물질로 채택하고, 실시예 23에서 스칸듐(scandium) 도핑형 리튬 티타늄 인산화물(Li3Ti1.99Sc0.01(PO4)3)을 제2 물질로 채택하고, 실시예 24에서 게르마늄(germanium) 도핑형 리튬 티타늄 인산화물(Li3Ti1.99Ge0.01(PO4)3)을 제2 물질로 채택하고, 실시예 25에서 알루미늄(aluminium) 도핑형 리튬 티타늄 인산화물(Li3Ti1.99Al0.01(PO4)3)을 제2 물질로 채택한다는 것이다.
비교예 1
리튬 코발트 산화물, 아세틸렌 블랙 및 폴리비닐리덴플루오라이드를 97:2:1의 중량비로 N-메틸피롤리돈 용액에 용해시켜 제1 물질층 슬러리를 형성한다. 알루미늄 포일을 집전체로 채택하고, 제1 물질층 슬러리를 집전체 표면 상에 직접 코팅한다. 건조, 냉간 압착 및 절단 후 양극을 수득한다.
비교예 2
실시예 1의 제조 방법과 동일하며, 다른 점은 비교예 2에서 인산철 리튬(LiFePO4)을 제2 물질로 채택하는 것이다.
비교예 3
실시예 2의 제조방법과 동일하며, 다른 점은 비교예 3에서 제2 물질층의 두께가 2㎛라는 것이다.
비교예 4
실시예 13의 제조방법과 동일하며, 다른 점은 비교예 4에서 제2 물질층의 두께가 2㎛라는 것이다.
비교예 5
실시예 2의 제조방법과 동일하며, 다른 점은 비교예 5에서 입도 Dv50가 0.2㎛인 산화 알루미늄(Al2O3)을 제2 물질로 채택하여 폴리비닐리덴플루오라이드, 아세틸렌 블랙과 96:2:2의 중량비에 따라 N-메틸피롤리돈(NMP) 용액에 용해시키는 것이다.
상기 실시예 및 비교예의 양극의 경우 그 두께, 폭, 길이 및 중량을 측정하고, 그 제1 물질층 또는 제2 물질층의 압축밀도, 및 제2 물질층과 제1 물질층(102)의 양극의 표면을 따르는 표면밀도의 비를 기록한다. 이어서, 리튬이온 배터리에 대하여 고온 저장 임피던스 테스트, 네일링 테스트 및 충격 테스트를 실시하여 그 테스트 결과를 기록한다.
실시예 1 내지 25 및 비교예 1 내지 5의 제1 물질층 및 제2 물질층의 통계적 값은 하기 표 1와 같다.
표 1
Figure 112020033746830-pct00002
실시예 1 내지 11 및 비교예 1 내지 3 및 5의 리튬이온 배터리의 고온 저장 임피던스 테스트, 네일링 테스트 및 충격 테스트를 통한 테스트 결과는 하기 표 2와 같다.
표 2
Figure 112020033746830-pct00003
실시예 12 내지 25 및 비교예 1 내지 2 및 4 내지 5의 리튬이온 배터리의 용량 테스트, 고온 저장 임피던스 테스트, 네일링 테스트 및 충격 테스트를 통한 테스트 결과는 하기 표 3과 같다.
표 3
Figure 112020033746830-pct00004
표 1 내지 3으로부터 비교예 1과 비교하여 본 출원 실시예에서 본 출원의 양극을 갖는 리튬이온 배터리는 안전성이 현저하게 개선된다는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 비교예 1과 실시예 1 내지 25의 비교로부터 본 출원의 양극을 갖는 전기화학 장치는 네일링 테스트 및 충격 테스트에서 모두 통과율을 효과적으로 개선한다는 것을 알 수 있다. 이는 본 출원의 양극 내의 제2 물질층이 양극 내의 집전체가 음극과 접촉하는 것을 효과적으로 방지하여 리튬이온 배터리의 안전성을 다소 향상시킬 수 있음을 의미한다. 또한 표 3에서 도시하는 바와 같이, 비교예 1에 비하여 본 출원 실시예 12 내지 25의 리튬이온 배터리의 제2 물질 자체에 리튬 도핑이 함유되어 있어 리튬이온 배터리의 에너지 밀도를 효과적으로 개선할 수 있다.
실시예 1 내지 5 및 12 내지 16의 비교로부터 제2 물질의 입도가 증가함에 따라 리튬이온 배터리의 초기 임피던스도 현저하게 증가하나, 고온 저장 임피던스의 증가율은 감소할 수 있음을 알 수 있다. 본 출원은 제2 물질의 입도를 제어함으로써 초기 임피던스가 비교적 낮은 범위 내에서 유지되는 상황에서 리튬이온 배터리의 고온 저장 임피던스 증가율이 최적화되어, 리튬이온 배터리가 동시에 우수한 순환 성능 및 고온 저장 성능을 갖도록 만들 수 있다.
실시예 13, 20 및 21의 비교로부터, 제2 물질층에서 도전제의 불순물 함량이 리튬이온 배터리의 초기 임피던스 및 고온 저장 임피던스의 증가율에 영향을 줄 수 있음을 알 수 있다. 제2 물질층 도전제의 불순물 함량이 높을수록 리튬이온 배터리의 초기 임피던스 및 고온 저장 임피던스 증가율이 낮아지나, 과도하게 높은 도전제 함량은 리튬이온 배터리의 네일링 및 충격 테스트 통과율을 저하시킬 수 있다. 본 출원 실시예 범위 내의 도전제의 함량은 리튬이온 배터리가 비교적 낮은 초기 임피던스 및 고온 저장 임피던스 증가율을 유지하고, 90% 이상의 네일링 및 충격 테스트 통과율을 유지할 수 있도록 한다.
비교예 2와 실시예 2, 9 내지 11, 13 및 22 내지 25의 비교로부터, 비교예 2에서 인산철 리튬을 제2 물질로 채택한 리튬이온 배터리와 비교할 때, 실시예 2 및 9 내지 11에서 인산염을 제2 물질로 채택한 리튬이온 배터리 및 실시예 13 및 22 내지 25에서 티타늄 인산화물 리튬염을 제2 물질로 채택한 리튬이온 배터리는 고온 저장 후의 임피던스 증가를 효과적으로 낮추고 고온 저장 임피던스 증가율을 25% 이하로 유지할 수 있다. 이는 본 출원에서 인산염을 채택한 제2 물질층이 고온 및 고전압 환경에서 우수한 안정성을 나타내며 팽창, 변형 및 탈락 등의 현상이 쉽게 발생하지 않는다는 것을 의미한다. 따라서 본 출원의 리튬이온 배터리는 초기 임피던스 및 고온 저장 임피던스 증가율이 비교적 낮아 그 순환 성능이 향상된다.
비교예 3 및 4와 실시예 2, 6 내지 8, 13 및 17 내지 19의 비교로부터, 양극에서 제2 물질층의 두께가 리튬이온 배터리의 안전 성능에 크게 영향을 미칠 수 있다는 것을 알 수 있다. 비교예 3 및 4의 리튬이온 배터리의 제2 물질층의 두께가 너무 얇으면, 인산염 및 티타늄 인산화물 리튬염의 분포가 불균일하여 제2 물질층의 양극 내 집전체와 음극에 대한 분리 효과가 약화된다. 본 출원의 리튬이온 배터리의 양극 구조 설계는 그 안전 성능을 향상시키는 동시에 에너지 밀도 및 임피던스에 대한 제2 물질층의 영향을 감소시킬 수 있으며, 나아가 리튬이온 배터리의 순환 및 안전 성능을 최적화할 수 있다.
상기 실시예 및 비교예의 비교를 통해, 본 출원의 양극은 인산염 및 티타늄 인산화물 리튬염 중 하나 이상을 포함하는 제2 물질층 및 이중층 구조를 설치함으로써, 양극 내의 집전체와 음극의 접촉을 분리시켜 전기화학 장치의 전기화학적 안정성 및 안전성을 현저하게 향상시킬 수 있다는 것을 명확하게 알 수 있다. 또한 본 출원의 양극은 제2 물질층의 설계를 최적화함으로써, 전기화학 장치의 임피던스 및 고온 및 고전압 환경 하에서의 임피던스 증가를 감소시킬 수 있으므로, 안전 성능을 최적화하는 동시에 순환 성능도 향상시킬 수 있다.
명세서 전체에서 "일부 실시예", "부분 실시예", "일 실시예", "다른 예시", "일 예시", "구체적인 예시" 또는 "부분 예시"의 인용이 나타내는 의미는, 본 출원에서 적어도 하나의 실시예 또는 예시에 상기 실시예 또는 예시에서 설명된 특정한 특징, 구조, 물질 또는 특성이 포함된다는 것이다. 따라서 명세서 전체 중의 각 부분에 있는 설명에서, 예를 들어 "일부 실시예에 있어서", "실시예에 있어서", "일 실시예에 있어서", "다른 예시에 있어서", "일 예시에 있어서", "특정 예시에 있어서" 또는 "예시에서"는 반드시 본 출원 중의 동일한 실시예 또는 예시를 인용하는 것은 아니다. 또한 본원에서 특정한 특징, 구조, 물질 또는 특성은 하나 이상의 실시예 또는 예시에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
설명적인 실시예를 도시 및 설명하였으나, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 기술자는 상기 실시예가 본 출원을 제한하는 것으로 해석하여서는 안 되며, 본 출원의 사상, 원리 및 범위를 벗어나지 않는 선에서 실시예에 대하여 변경, 대체 및 수정을 진행할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (10)

  1. 양극에 있어서,
    집전체;
    제1 물질을 포함하는 제1 물질층; 및
    제2 물질을 포함하는 제2 물질층을 포함하고,
    여기에서 상기 제2 물질은 일반식 Li3Ti2-xM2x(PO4)3으로 표시되는 티타늄 인산화물 리튬염을 포함하고, 여기에서 M2는 V, Sc, Ge, Al 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고, 0≤x<2이고,
    여기에서 상기 제2 물질층은 상기 집전체와 상기 제1 물질층 사이에 설치되는 양극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 물질과 상기 제2 물질이 다른 양극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 물질층의 두께는 2㎛ 내지 10㎛이고, 상기 제2 물질층의 압축밀도는 1.8g/㎤ 내지 3.1g/㎤인 양극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 물질의 입도 Dv50이 0.5㎛ 내지 5.0㎛ 인 양극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 물질층은 접합제 및 도전제 중 적어도 하나를 더 포함하고, 여기에서 상기 제2 물질층의 총 중량을 기준으로 상기 제2 물질층에서 상기 접합제의 함량은 1wt% 내지 5wt%이고, 상기 제2 물질층에서 상기 도전제의 함량은 1wt% 내지 10wt%인 양극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 물질층의 상기 양극의 두께 방향을 따르는 표면밀도가 상기 제1 물질층의 상기 양극의 두께 방향을 따르는 표면밀도의 1% 내지 5%인 양극.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 물질층의 두께가 120㎛ 내지 450㎛이고, 압축밀도는 4.05g/cm3 내지 4.3g/cm3이고, 상기 제1 물질의 입도 Dv50은 2.5㎛ 내지 20㎛인 양극.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 물질은 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물, 리튬 철 인산화물, 리튬 철 망간 인산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬이 풍부한 망간계 물질 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 양극.
  9. 전기화학 장치에 있어서,
    음극;
    분리막; 및
    제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 양극을 포함하는 전기화학 장치.
  10. 제9항에 따른 전기화학 장치를 포함하는 전자 장치.
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