KR102490865B1 - 전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 전지 - Google Patents

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Abstract

상기 전극 조립체의 최하부에 배치되는 최하부 전극; 상기 전극 조립체의 최상부에 배치되는 최상부 전극; 하나 이상의, 상기 최하부 전극 및 상기 최상부 전극 사이에 배치되고, 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 단위 적층체; 및 상기 최하부 전극과 상기 단위 적층체, 상기 단위 적층체들 사이 및 상기 단위 적층체와 상기 최상부 전극 사이에 배치되는 세퍼레이터;를 포함하는 적층형 전극 조립체가 개시된다. 상기 적층형 전극 조립체의 최하부 전극 또는 상기 최상부 전극으로서 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극을 채용하여, 리튬 전지의 용량 및 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 전지{Electrode assembly and lithium battery including the same}
전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 전지에 관한 것이다.
통상적으로 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 이차 전지는 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서 디지털 카메라, 모바일 기기, 노트북 컴퓨터 등의 소형 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 중대형 전지 개발 또한 이루어지고 있는데, 특히 전기 자동차(EV)의 보급으로 고용량의 안전한 이차 전지의 개발이 진행 중이다.
이차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지 등을 들 수 있다. 이 중에서, 리튬 이차 전지는 수 개를 직렬로 연결하여 고출력의 EV용으로 사용될 수 있는데, 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성이 우수하여 사용이 증가되는 추세이다.
따라서, 고용량을 나타내면서 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지에 대한 요구가 있다.
본 발명의 일 측면은 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극을 전극 조립체의 최상부 및/또는 최하부에 배치한 적층형 전극 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 상기 적층형 전극 조립체를 채용함으로써, 용량 및 에너지 밀도가 높은 리튬 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에서는,
적층형 전극 조립체로서,
상기 전극 조립체의 최하부에 배치되는 최하부 전극;
상기 전극 조립체의 최상부에 배치되는 최상부 전극;
하나 이상의, 상기 최하부 전극 및 상기 최상부 전극 사이에 배치되고, 양극; 음극; 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 세퍼레이터;를 포함하는 단위 적층체; 및
상기 최하부 전극과 상기 단위 적층체, 상기 단위 적층체들 사이 및 상기 단위 적층체와 상기 최상부 전극 사이에 배치되는 세퍼레이터;를 포함하고,
상기 최하부 전극 또는 상기 최상부 전극은 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극인 적층형 전극 조립체가 제공된다.일 실시예에 따르면, 상기 최하부 전극 및 상기 최상부 전극 모두가 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극은 상기 3차원 다공성 집전체의 기공에 위치한 전극 활물질을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하지 않는 전극은 비다공성(non-porous) 전극 집전체 및 상기 전극 집전체의 적어도 일면에 배치된 전극 활물질층을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 단위 적층체는 음극, 세퍼레이터, 양극, 세퍼레이터 및 음극 (또는 양극, 세퍼레이터, 음극, 세퍼레이터 및 양극) 순서로 적층된 바이셀(bi-cell)의 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 단위 적층체의 전극 중 적어도 하나가 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극을 포함하는, 복수 개의 상기 단위 적층체를 포함하고, 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극들이 상기 단위 적층체들 사이에 배치되는 세퍼레이터를 중심으로 연속적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극을 포함하는, 복수 개의 상기 단위 적층체를 포함하고, 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극들이 상기 단위 적층체들 사이에 배치되는 세퍼레이터 없이 연속적으로 적층된 구조를 갖고, 상기 연속적으로 적층된 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극들은 동일 극성을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 다공성 집전체가 메탈 폼(metal foam)의 형태를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 다공성 집전체가 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 은(Ag), 텅스텐(W), 백금(Pt), SUS(Steel use stainless) 및 이들의 조합 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 다공성 집전체의 두께가 10㎛ 내지 500㎛일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 다공성 집전체의 기공 직경이 0.2㎛ 내지 100㎛일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 다공성 집전체의 기공도가 50% 내지 98%일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 적층형 전극 조립체를 포함하는 리튬 전지가 제공된다.
일 구현예에 따른 상기 리튬 전지는 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극을 상기 전극 조립체의 최상부 및/또는 최하부에 배치한 적층형 전극 조립체를 포함함으로써, 증가된 용량 및 개선된 에너지 밀도를 가질 수 있다.
도 1 내지 도 6은 일 실시예에 따른 전극 조립체의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 3차원 다공성 음극 집전체의 개략도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극의 개략도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 하기에서 사용된 "/"는 상황에 따라 "및"으로 해석될 수도 있고 "또는"으로 해석될 수도 있다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 또는 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명함에 있어 실질적으로 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
일반적으로 리튬 전지는 각형, 원통형, 파우치형 등의 형상을 갖는 케이스에 전극 조립체를 삽입 후, 전해액을 주입하여 완성된다. 상기 전극 조립체는, 그 구조에 따라, 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 개재하여 권취한 젤리롤(jelly-roll) 타입(권취형) 및 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 그 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 개재되도록 순차적으로 적층한 스택(stack) 타입(적층형)으로 구분될 수 있다.
상기 적층형 전극 조립체에서, 최외각 즉, 최상부 또는 최하부에 위치되는 전극은 리튬 이온의 인터칼레이션/디인터칼레이션이 일어나지 않는 미반응 영역이 생성되어 비가역 용량이 증가될 수 있다. 상기 비가역 용량의 증가는 리튬 전지의 수명 특성을 저하하므로 비가역 용량의 최소화가 요구된다.
이에, 비가역 용량을 최소화할 수 있는 방법을 검토한 결과, 상기 적층형 전극 조립체의 최상부 및/또는 최하부 전극을 전극 조립체의 내부에 위치된 전극들과 다르게 구성함으로써, 비가역 용량이 감소되고 에너지 밀도가 증가된 전지를 구현할 수 있음을 확인하였다.
이하, 본 발명에 대해 구체적으로 설명한다.
일 측면에 따른 적층형 전극 조립체는,
상기 전극 조립체의 최하부에 배치되는 최하부 전극; 상기 전극 조립체의 최상부에 배치되는 최상부 전극; 하나 이상의, 상기 최하부 전극 및 상기 최상부 전극 사이에 배치되고, 양극; 음극; 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 세퍼레이터;를 포함하는 하나 이상의 단위 적층체; 및 상기 최하부 전극과 상기 단위 적층체, 상기 단위 적층체들 사이 및 상기 단위 적층체와 상기 최상부 전극 사이에 배치되는 세퍼레이터;를 포함하고,
상기 최하부 전극 또는 상기 최상부 전극은 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극이다.
여기서, 전극은 양극 또는 음극일 수 있고, 상기 세퍼레이터를 중심으로 순차적으로 적층되는 전극들은 상이한 극성을 가질 수 있다. 다시 말하면, 상기 전극 조립체는 양극, 세퍼레이터, 음극 순으로 적층되거나, 음극, 세퍼레이터, 양극 순으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 최하부 전극 및 상기 최상부 전극 모두가 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극일 수 있다.
상기 전극 조립체 중 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극은 상기 3차원 다공성 집전체의 기공에 위치한 전극 활물질을 더 포함할 수 있다.
여기서, 3차원 다공성 집전체는 포일(foil) 형태의 박판과 같은 기공이 없는 플레인(plain) 집전체와는 구분되는 것으로 내부에 3차원적으로 서로 연결되어 있는 기공들을 갖는 집전체를 지칭한다. 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극은 상기 다공성 집전체의 기공 내에 전극 활물질이 위치되어 있는 구조를 가질 수 있다.
한편, 상기 전극 조립체 중 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극 외의 다른 전극들은 비다공성(non-porous) 전극 집전체, 예를 들어 금속 박판과 같은 비다공성 전극 집전체 및 상기 전극 집전체의 적어도 일면에 배치된 전극 활물질층을 포함할 수 있다. 즉, 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하지 않는 전극은 전극 활물질층과 집전체가 순차적으로 적층된 층상 구조를 가지므로, 3차원 다공성 집전체의 기공 내부에 음극 활물질 또는 양극 활물질이 위치되어 있는 구조를 갖는 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극과는 그 구조를 달리한다.
상기 3차원 다공성 집전체를 포함하지 않는 전극만으로 구성된 적층형 전극 조립체의 경우, 전술한 바와 같이, 최하부 또는 최상부 전극에 의하여 비가역 용량이 증가하게 된다. 따라서, 이를 해결하기 위하여 최하부 또는 최상부에는 활물질층이 배치되어 있지 않은 전극, 즉, 집전체의 단면에만 활물질층이 배치된 전극을 사용하는 것을 고려할 수 있으나, 상기 집전체의 단면에만 활물질층이 배치된 전극은 압연 공정시 극판이 휘는 만곡 현상이 발생할 수 있다.
반면에, 상기와 같이, 최상부 또는 최하부 전극에 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극을 사용한 전지의 경우, 상기 극판 만곡 현상이 일어나지 않으면서도 최상부 또는 최하부 전극에 의한 용량 감소가 일어나지 않을 수 있다. 따라서, 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하지 않는 전극만으로 구성된 적층형 전극 조립체를 채용한 전지에 비하여, 전지의 용량 및 에너지 밀도가 증가될 수 있다.
상기 단위 적층체는 양극, 세퍼레이터 및 음극(또는 음극, 세퍼레이터 및 양극) 순서로 적층된 풀 셀(full-cell) 구조를 가질 수 있다.
다르게는, 상기 단위 적층체는 음극, 세퍼레이터, 양극, 세퍼레이터 및 음극 (또는 양극, 세퍼레이터, 음극, 세퍼레이터 및 양극) 순서로 적층된 바이셀(bi-cell)의 구조를 가질 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전극 조립체를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 전극 조립체(100)는 최하부 전극, 최상부 전극 및 상기 최하부 전극과 상기 최상부 전극 사이에 배치된 하나의 단위 적층체를 포함하고, 도 4 내지 도 6을 참조하면, 상기 전극 조립체(100)는 최하부 전극, 최상부 전극 및 상기 최하부 전극과 상기 최상부 전극 사이에 배치된 두 개의 단위 적층체를 포함한다.
도 1에서 보는 바와 같이, 상기 전극 조립체(100)의 최하부 전극은 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50)일 수 있다. 상기 전극 조립체(100)는 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50) / 세퍼레이터(10) / 양극(20), 세퍼레이터(10), 음극(30), 세퍼레이터(10) 및 양극(20)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U1) / 세퍼레이터(10) / 음극(30)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 명세서에는 도시되지 않았으나, 상기 전극 조립체(100)는 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극(40) / 세퍼레이터(10) / 음극(30), 세퍼레이터(10), 양극(20), 세퍼레이터(10) 및 음극(30)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U1) / 세퍼레이터(10) / 양극(20)이 순차적으로 적층된 구조도 가질 수 있다.
이 때, 상기 전극 조립체(100)는 상기 세퍼레이터(10)를 중심으로 상이한 극성을 갖는 전극끼리 마주보도록 적층될 수 있다.
상기 양극(20)은 비다공성 양극 집전체(22)와 상기 양극 집전체의 양면에 배치된 양극 활물질층(24)을 포함할 수 있고, 상기 음극(30)은 비다공성 음극 집전체(32)와 상기 음극 집전체의 양면에 배치된 음극 활물질층(34)을 포함할 수 있다.
도 2에서 보는 바와 같이, 상기 전극 조립체(100)의 최상부 전극은 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50)일 수 있다. 상기 전극 조립체(100)는 음극(30) / 세퍼레이터(10) / 양극(20), 세퍼레이터(10), 음극(30), 세퍼레이터(10) 및 양극(20)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U1) / 세퍼레이터(10) / 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 명세서에는 도시되지 않았으나, 상기 전극 조립체(100)는 양극(20) / 세퍼레이터(10) / 음극(30), 세퍼레이터(10), 양극(20), 세퍼레이터(10) 및 음극(30)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U1) / 세퍼레이터(10) / 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극(40)이 순차적으로 적층된 구조도 가질 수 있다.
도 3에서 보는 바와 같이, 상기 전극 조립체(100)의 최상부 전극 및 최하부 전극 모두 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50)일 수 있다. 상기 전극 조립체(100)는 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50) / 세퍼레이터(10) / 양극(20), 세퍼레이터(10), 음극(30), 세퍼레이터(10) 및 양극(20)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U1) / 세퍼레이터(10) / 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 명세서에는 도시되지 않았으나, 상기 전극 조립체(100)는 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극(40) / 세퍼레이터(10) / 음극(30), 세퍼레이터(10), 양극(20), 세퍼레이터(10) 및 음극(30)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U1) / 세퍼레이터(10) / 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극(40)이 순차적으로 적층된 구조도 가질 수 있다.
도 4에서 보는 바와 같이, 상기 전극 조립체(100)는 최상부 전극 및 최하부 전극으로 모두 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50) 및 2 개의 단위 적층체(U1, U2)를 포함할 수 있다. 상기 전극 조립체(100)는 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50) / 세퍼레이터(10) / 양극(20), 세퍼레이터(10), 음극(30), 세퍼레이터(10) 및 양극(20)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U1) / 세퍼레이터(10) / 음극(30), 세퍼레이터(10), 양극(20), 세퍼레이터(10) 및 음극(30)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U2) / 세퍼레이터(10) / 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극(40)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 명세서에는 도시되지 않았으나, 상기 전극 조립체(100)는 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극(40) / 세퍼레이터(10) / 음극(30), 세퍼레이터(10), 양극(20), 세퍼레이터(10) 및 음극(30)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U1) / 세퍼레이터(10) / 양극(20), 세퍼레이터(10), 음극(30), 세퍼레이터(10) 및 양극(20)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U2) / 세퍼레이터(10) / 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50)이 순차적으로 적층된 구조도 가질 수 있다.
상기 전극 조립체(100)의 상기 최하부 전극 및/또는 최상부 전극 이외에도, 상기 단위 적층체의 전극 중 적어도 하나가 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극일 수 있다. 상기 전극 조립체가 상기 최하부 전극 및/또는 최상부 전극 이외에, 상기 단위 적층체의 전극 중 일부가 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 경우, 상기 전극 조립체를 채용한 전지의 비가역 용량 감소 뿐만 아니라 두께 감소로 인하여 전지의 용량 증가 및 에너지 밀도 향상 효과를 기대할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전극 조립체(100)는 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극을 포함하는, 복수 개의 상기 단위 적층체를 포함하고, 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극들이 상기 단위 적층체들 사이에 배치되는 세퍼레이터를 중심으로 연속적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 이 때, 세퍼레이터를 중심으로 연속적으로 적층된 구조를 갖는 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극들은 상이한 극성을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극 / 세퍼레이터 / 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극 순으로 적층될 수 있다. 물론, 그 역순도 가능하다.
다르게는, 상기 전극 조립체(100)는 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극을 포함하는, 복수 개의 상기 단위 적층체를 포함하고, 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극들이 상기 단위 적층체들 사이에 배치되는 세퍼레이터 없이 연속적으로 적층된 구조를 갖고, 상기 연속적으로 적층된 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극들은 동일 극성을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극/ 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극이 순차적으로 적층될 수 있다.
도 5에서 보는 바와 같이, 상기 전극 조립체(100)의 최상부 전극 및 최하부 전극 모두 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50)일 수 있고, 단위 적층체들(U1, U2) 각각은 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극(40) 및 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50)을 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 실시예 이외의 단위 적층체들의 전극이 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극인 경우도 가능하다.
상기 전극 조립체(100)는 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50) / 세퍼레이터(10) / 양극(20), 세퍼레이터(10), 음극(30), 세퍼레이터(10) 및 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극(40)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U1) / 세퍼레이터(10) / 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50), 세퍼레이터(10), 양극(20), 세퍼레이터(10) 및 음극(30)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U2) / 세퍼레이터(10) / 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극(40)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체(100)는 U1의 단위 적층체를 이루는 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극(40)과 U2의 단위 적층체를 이루는 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50)이 세퍼레이터(10)를 중심으로 연속적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 명세서에는 도시되지 않았으나, 상기 전극 조립체(100)는 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극(40) / 세퍼레이터(10) / 음극(30), 세퍼레이터(10), 양극(20), 세퍼레이터(10) 및 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U1) / 세퍼레이터(10) / 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극(40), 세퍼레이터(10), 음극(30), 세퍼레이터(10) 및 양극(20)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U2) / 세퍼레이터(10) / 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50)이 순차적으로 적층된 구조도 가질 수 있다.
도 6에서 보는 바와 같이, 상기 전극 조립체(100)의 최상부 전극 및 최하부 전극 모두 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50)일 수 있고, 단위 적층체들(U1, U2) 각각은 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극(40)을 포함할 수 있다.
상기 전극 조립체(100)는 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50) / 세퍼레이터(10) / 양극(20), 세퍼레이터(10), 음극(30), 세퍼레이터(10) 및 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극(40)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U1) / 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극(40), 세퍼레이터(10), 음극(30), 세퍼레이터(10) 및 양극(20)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U2) / 세퍼레이터(10) / 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 상기 단위 적층체(U1)과 상기 단위 적층체(U2) 사이에는 세퍼레이터가 존재하지 않을 수 있다.
또한, 본 명세서에는 도시되지 않았으나, 상기 전극 조립체(100)는 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극(40) / 세퍼레이터(10) / 음극(30), 세퍼레이터(10), 양극(20), 세퍼레이터(10) 및 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U1) / 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50), 세퍼레이터(10), 양극(20), 세퍼레이터(10) 및 음극(30)이 순차적으로 적층된 단위 적층체(U2) / 세퍼레이터(10) / 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극(40)이 순차적으로 적층된 구조도 가질 수 있다.
상기 도 1 내지 도 6에는 하나 또는 두 개의 단위 적층체(U1, U2)만을 포함하는 전극 조립체를 도시하였으나, 3 개 이상의 단위 적층체들을 포함하는 전극 조립체 또한 가능하다.
도 7에 일 실시예에 따른 3차원 다공성 음극 집전체의 개략도를 나타내었고, 도 8에 상기 다공성 집전체를 포함하는 음극의 개략도를 나타내었다. 도 7 및 도 8은 음극에 대해서만 나타내었으나, 양극도 마찬가지로 이해될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 3차원 다공성 집전체(52)는 내부에 많은 기공을 갖는 다공성 형태를 갖는다. 예를 들어, 상기 3차원 다공성 집전체(52)는 기공을 갖는 3차원의 형태를 가지고, 집전체로서의 역할을 할 수 있는 재료면 무엇이든 사용 가능하다.
예를 들어, 상기 3차원 다공성 집전체(52)는 메탈 폼(metal foam)의 형태를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 3차원 다공성 집전체(52)는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 은(Ag), 텅스텐(W), 백금(Pt), SUS(Steel use stainless) 및 이들의 조합 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하거나, 또는 적어도 하나로 이루어질 수있다.
상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극이 음극일 경우 상기 3차원 다공성 집전체는 Cu 폼을 포함하고, 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극이 양극일 경우 상기 3차원 다공성 집전체는 Al 폼을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극이 음극일 경우 상기 3차원 다공성 집전체는 Cu 폼이고, 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극이 양극일 경우 상기 3차원 다공성 집전체는 Al 폼일 수 있다.
예를 들어, 상기 3차원 다공성 집전체(52)의 두께는 10㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 3차원 다공성 집전체(52)의 두께는 50㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 3차원 다공성 집전체(52)의 두께는 50㎛ 내지 200㎛일 수 있다. 상기 두께 범위를 갖는 3차원 다공성 집전체(52)를 포함하는 전극을 최상부 및/또는 최하부에 채용할 경우 전지의 비가역 용량을 줄일 수 있다.
예를 들어, 상기 3차원 다공성 집전체(52)의 기공 직경은 0.2㎛ 내지 100㎛일 수 있고, 상기 3차원 다공성 집전체(52)의 기공도는 50% 내지 98%일 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 범위의 기공 직경 및 기공도를 갖는 3차원 다공성 집전체(52)를 포함하는 전극(예를 들어, 음극 50)은 상기 3차원 다공성 집전체(52)의 기공 내부에 위치한 전극 활물질(54)을 적절한 수준으로 포함하여, 비가역 용량 감소 및 원하는 전지의 용량의 구현에 기여할 수 있다.
다른 측면에 따른 리튬 전지는 상술한 적층형 전극 조립체를 포함한다.
이하, 상기 리튬 전지의 제조 방법을 살펴보기로 한다.
상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극은 다음과 같이 제조될 수 있다.
먼저, 3차원 다공성 집전체를 준비한다. 다음으로, 전극 활물질로서 양극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 용매 중에 혼합하여 양극 활물질 조성물을 제조할 수 있다. 상기 제조된 양극 활물질 조성물을 상기 다공성 집전체의 기공 내로 충진하거나, 또는 상기 다공성 집전체상에 도포 후 압력을 가하여 상기 3차원 다공성 집전체의 기공에 상기 양극 활물질 조성물을 침투시킨 후 건조하여, 상기 기공에 양극 활물질을 포함하는 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극을 제조할 수 있다.
상기 양극 활물질 조성물에 사용되는 양극 활물질로서 당해 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 물질이면 모두 사용할 수 있다. 예를 들어, LiaA1 - bBbD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1 - bBbO2 - cDc(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2 - bBbO4 - cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1 -b- cCobBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cCobBcO2 -αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b-cCobBcO2-αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcO2 -αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcO2 -αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiIO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); LiFePO4의 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다:
상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; F는 F, S, P, 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y, 또는 이들의 조합이며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이다.
예를 들어, LiCoO2, LiMnxO2x(x=1, 2), LiNi1 -xMnxO2x(0<x<1), LiNi1 -x- yCoxMnyO2 (0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5), FePO4 등이다.
상기 양극 활물질 조성물에 사용되는 바인더는, 양극 활물질과 도전재 등의 결합 및 양극 활물질과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 양극 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 50 중량부로 첨가된다. 예를 들어 양극 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 30 중량부, 1 내지 20 중량부, 또는 1 내지 15 중량부의 범위로 바인더를 첨가할 수 있다. 상기 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리벤지미다졸, 폴리이미드, 폴리비닐아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아닐린, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌, 페놀 수지, 에폭시 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리페닐설파이드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌술폰, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 조합에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 도전재로는 일반적으로 리튬 전지에 사용되는 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 예로 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다. 도전재의 함량은 적당하게 조절하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 활물질 및 도전재의 중량비는 99:1 내지 90:10 범위일 수 있다.
상기 용매로는 N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤, 물 등이 사용될 수 있다. 상기 용매의 함량은 양극 활물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 40 중량부를 사용할 수 있다. 상기 용매의 함량이 상기 범위일 때 활물질층을 형성하기 위한 작업이 용이하다.
다음으로, 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극(50)이 전극 활물질로서 음극 활물질을 사용하는 것을 제외하고는 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극과 동일한 방법으로 제조될 수 있다. 또한, 음극 활물질 조성물에서 바인더, 도전재 및 용매는 양극의 경우와 동일한 것을 사용할 수 있다.
상기 음극 활물질로서 당해 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 물질이면 모두 사용할 수 있다. 예를 들어, 리튬 금속, 리튬과 합금 가능한 금속, 전이금속 산화물, 비전이금속산화물 및 탄소재로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 리튬과 합금가능한 금속은 Si, Sn, Al, Ge, Pb, Bi, Sb, Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Si는 아님), Sn-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합 원소이며, Sn은 아님) 등일 수 있다. 상기 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다.
예를 들어, 상기 전이금속 산화물은 리튬 티탄 산화물, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등일 수 있다.
예를 들어, 상기 비전이금속 산화물은 SnO2, SiOx(0<x<2) 등일 수 있다.
상기 탄소재는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본 또는 하드 카본, 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.
다음으로, 양극(20)은 상기 제조된 양극 활물질 조성물을 일정한 형상으로 성형하거나, 비다공성 양극 집전체(22)에 도포하여, 집전체의 적어도 일면에 양극 활물질층(24)을 형성시키는 방법으로 제조될 수 있다. 또한, 음극(30)은 상기 제조된 음극 활물질 조성물을 일정한 형상으로 성형하거나, 비다공성 음극 집전체(32)에 도포하여, 집전체의 적어도 일면에 음극 활물질층(34)을 형성시키는 방법으로 제조될 수 있다.
상기 비다공성 양극 및 음극 집전체(22, 32)는 각각 독립적으로 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 알루미늄, 구리, 니켈, 티탄, 및 스테인레스 스틸 중에서 선택되는 적어도 하나의 소재로 이루어질 수 있다. 상기 알루미늄, 구리, 니켈, 스테리인레스 스틸 등의 소재 표면에는 니켈, 구리, 알루미늄, 티탄, 금, 은, 백금, 팔라듐 등의 코팅 성분으로 전기도금 또는 이온 증착하여 표면처리하거나, 이들 코팅 성분의 나노입자를 딥 또는 압착 등의 방법을 통하여 상기 주 소재의 표면에 코팅처리한 것을 기재로 사용할 수도 있다. 또한, 상기 집전체는 비도전성의 재료로 이루어진 베이스에 위와 같은 도전성 소재를 피복한 형태로 구성될 수도 있다. 상기 집전체는 그 표면에 미세한 요철 구조가 형성된 것일 수 있는데, 이와 같은 요철 구조는 기재 상에 코팅될 활물질층과의 접착력을 높일 수 있다. 상기 집전체는 일반적으로 10 ㎛ 내지 30 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
다음으로, 전술된 실시예에 따라, 최하부 전극/ 세퍼레이터 / 하나 이상의 단위 적층체 / 세퍼레이터 / 최상부 전극을 순차적으로 적층하여 적층형 전극조립체를 제조할 수 있다.
이 때, 각각의 양극에 사용된 양극 활물질은 동일하거나 상이할 수 있고, 각각의 음극에 사용된 음극 활물질 또한 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 세퍼레이터로는, 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용될 수 있다. 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 적합하다. 예를 들어, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 그 조합물 중에서 선택된 재질로서, 부직포 또는 직조 형태여도 무방하다. 상기 세퍼레이터는 기공 직경이 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다. 상기 세퍼레이터의 두께는 5 ㎛ 내지 300 ㎛일 수 있다. 상기 범위에서 단위 부피당 전지의 용량 감소를 최소화 하면서도 내부 단락에 의한 안전성을 확보할 수 있다. 예를 들어, 상기 세퍼레이터의 두께는 8 ㎛ 내지 30 ㎛일 수 있다.
이후, 상기 적층형 전극 조립체를 각형, 원통형 등의 형상을 갖는 케이스에 넣은 다음, 전해질을 주입하여 리튬 전지를 제조할 수 있다.
이 때 전해질은, 비수계 전해질과 리튬염으로 이루어질 수 있다. 비수계 전해질로는 비수 전해액, 유기 고체 전해질 등이 사용될 수 있다.
상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 감마-부틸로 락톤(GBL), 1,2-디메톡시에탄(DME), 테트라하이드로푸란(THF), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드(DMSO), 1,3-디옥소란(DOL), 포름아미드, 디메틸포름아미드, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소란 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리리신, 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 또는 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 리튬 전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 다 사용가능하며, 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, C4F9SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 리튬 클로로보레이트, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 또는 이미드 등의 물질이 하나 이상 사용될 수 있다.
또한, 상기 전해액에는 음극 표면에 SEI층을 형성하고 이를 유지시키기 위하여 비닐렌 카보네이트(VC), 카테콜 카보네이트(CC) 등을 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 전해질은 과충전을 방지하기 위하여 n-부틸페로센, 할로겐 치환된 벤젠 등의 리독스-셔틀(redox-shuttle)형 첨가제을 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 전해질은 사이클로헥실벤젠, 비페닐 등의 피막 형성용 첨가제를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 전해질은 전도 특성을 향상시키기 위하여 크라운 에테르계 화합물 등의 양이온 수용체(cation receptor) 및 붕소계 화합물 등의 음이온 수용체(anion receptor)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 전해질은 난연제로서 트리메틸 포스페이트(TMP), 트리스(2,2,2-트리플루오로에틸) 포스페이트(TFP), 헥사메톡시사이클로트리포스파젠(HMTP) 등의 포스페이트계 화합물을 첨가할 수 있다.
필요에 따라, 상기 전해질은 전극 표면에 안정된 SEI층 또는 피막 형성을 도와 리튬 전지의 안전성을 보다 더 개선시킬 수 있도록, 예를 들어 트리스(트리메틸실릴) 포스페이트(TMSPa), 리튬 디플루오로옥살레이토보레이트(LiFOB), 프로판설톤(PS), 숙시토니트릴(SN), LiBF4, 예컨대 아크릴, 아미노, 에폭시, 메톡시, 에톡시, 비닐 등과 같이 실록산 결합을 형성할 수 있는 관능기를 갖는 실란 화합물, 헥사메틸디실라잔 등의 실라잔 화합물 등, 구체적으로 예를 들어 프로판설톤(PS), 숙시토니트릴(SN), LiBF4 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 전해질을 제조할 수 있다.
상기 리튬 전지는 수명특성 및 고율특성이 우수하므로 전기차량(electric vehicle, EV)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 플러그인하이브리드차량(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등의 하이브리드차량에 사용될 수 있다. 상기 리튬전지는 고출력, 고전압 및 고온 구동이 요구되는 전기 자전거, 전동 공구, 기타 모든 용도에 사용될 수 있다.
상기 리튬 전지는 리튬 이차 전지일 수 있다.
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 예시적인 구현예들이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 기술적 사상을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.
실시예 1
(3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극의 제조)
3차원 다공성 집전체로서 90㎛ 두께의 Cu 폼(Duocel®사 제조)을 준비하였다. 또한, 음극 활물질 흑연(상해샨샨사 제조) 98 중량% 및 바인더 SBR(Zeon사 제조) 2 중량%를 용매 N-메틸피롤리돈 중에서 혼합하여 음극 활물질 조성물을 제조하였다. 제조된 상기 음극 활물질 조성물을 상기 Cu 폼 상에 도포 후, 기공 내로 상기 음극 활물질 조성물을 침투시키고, 이를 건조 하여 90 ㎛ 두께의 음극을 제조하였다.
(양극의 제조)
양극 활물질 LiCoO2 (Umicore사 제조) 97.5 중량%, 도전재 카본블랙(제품명 ECP, Lion사 제조) 1중량% 및 바인더 PVdF(제품명 Solef, Solvay사 제조) 1.5 중량% 를 용매 N-메틸피롤리돈 중에서 혼합하여 양극 활물질 조성물을 제조하였다. 제조된 상기 활물질 조성물을 두께가 15 ㎛인 알루미늄 포일(foil) 집전체의 양면에 코팅, 건조 및 압착하여 120㎛ 두께의 양극을 제조하였다.
(음극의 제조)
음극 활물질 흑연(상해샨샨사 제조) 98 중량% 및 바인더 SBR (Zeon사 제조) 2 중량%를 용매 N-메틸피롤리돈 중에서 혼합하여 음극 활물질 조성물을 제조하였다. 제조된 상기 활물질 조성물을 두께가 10㎛인 구리 포일 집전체의 양면에 코팅, 건조 및 압착하여 145 ㎛ 두께의 음극을 제조하였다.
(전극 조립체의 제조)
폴리에틸렌(PE) 필름 (Toray사 제조)으로 이루어진 세퍼레이터를 준비하고, 도 3에서 보는 바와 같이, 상기 제조된 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극, 세퍼레이터, 제조된 양극, 세퍼레이터, 제조된 음극, 세퍼레이터, 제조된 양극, 세퍼레이터 및 제조된 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극 순으로 적층하여 전극 조립체를 제조하였다.
(리튬 이차 전지의 제조)
상기 전극 조립체를 파우치형 케이스에 내장한 후, 에틸렌카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 및 디메틸카보네이트(DMC)를 1:1:1의 부피비로 혼합한 용매에 1.3 M LiPF6의 리튬염이 첨가된 전해질을 주입하여 파우치형 리튬 이차 전지를 제조하였다.
실시예 2
(3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극의 제조)
3차원 다공성 집전체로서 150㎛ 두께의 Al 폼(Duocel®사 제조)을 준비하였다. 또한, 양극 활물질 LiCoO2 (Umicore사 제조) 97.5 중량%, 도전재 카본블랙(제품명 ECP, Lion사 제조) 1중량% 및 바인더 PVdF(제품명 Solef, Solvay 사 제조) 1.5 중량%를 용매 N-메틸피롤리돈 중에서 혼합하여 양극 활물질 조성물을 제조하였다. 제조된 상기 양극 활물질 조성물을 상기 Al 폼 상에 도포 후, 기공 내로 상기 양극 활물질 조성물을 침투시키고, 이를 건조 하여 150 ㎛ 두께의 양극을 제조하였다.
이외에, 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극, 양극 및 음극은 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
(전극 조립체의 제조)
폴리에틸렌(PE) 필름 (Toray사 제조) 으로 이루어진 세퍼레이터를 준비하고, 도 4에서 보는 바와 같이, 상기 제조된 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극, 세퍼레이터, 제조된 양극, 세퍼레이터, 제조된 음극, 세퍼레이터, 제조된 양극, 세퍼레이터, 제조된 음극, 세퍼레이터, 제조된 양극, 세퍼레이터, 제조된 음극 및 제조된 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극 순으로 적층하여 전극 조립체를 제조하였다.
(리튬 이차 전지의 제조)
상기 전극 조립체를 파우치형 케이스에 내장한 후, 에틸렌카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 및 디메틸카보네이트(DMC)를 1:1:1의 부피비로 혼합한 용매에 1.3 M LiPF6의 리튬염이 첨가된 전해질을 주입하여 파우치형 리튬 이차 전지를 제조하였다.
비교예 1
상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극 대신 Cu 포일 집전체를 사용하여 제조한 실시예 1의 음극을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 전지를 제조하였다.
비교예 2
상기 음극 대신 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극을, 상기 양극 대신 실시예 2에서 제조된 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 전지를 제조하였다.
비교예 3
상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극 대신 Cu 포일 집전체를 사용하여 제조한 실시예 1의 음극을, 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극 대신 Al포일 집전체를 사용하여 제조한 실시예 2의 양극을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로 리튬 전지를 제조하였다.
비교예 4
상기 음극 대신 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극을, 상기 양극 대신 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로 리튬 전지를 제조하였다.
평가예 1: 리튬 전지의 용량 및 에너지 밀도 측정
비가역 용량이 감소되는 지 여부를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 및 2, 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 리튬 이차 전지를 25℃에서 0.2C rate의 전류로 4.3V(vs. Li)의 충전 종지 전압(charging cutoff voltage)까지 정전류 모드(constant current mode: CC mode)로 충전하고, 4.3V의 전압을 유지하면서 전류가 0.05C rate가 될 때까지 정전압 모드(constant voltage mode: CV mode)로 충전하였다. 이어서, 3.0V의 방전 종지 전압까지 0.2C의 정전류 모드로 방전하였다. 이후, 상기 실시예 1 및 2, 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 리튬 이차 전지의 용량 및 에너지 밀도를 측정하여 이를 이하 표 1에 나타내었다.
단위 적층체의 수 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극 용량
(mAh/g)		 에너지 밀도
(mWh/g)
실시예 1 1 최하부 전극
및 최상부 전극		 79.4 117.7
실시예 2 2 최하부 전극
및 최상부 전극		 158.8 139.1
비교예 1 1 없음 75.3 100
비교예 2 1 모든 전극 150.6 103.1
비교예 3 2 없음 75.3 85.9
비교예 4 2 모든 전극 150.6 97.6
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 최하부 전극 및 최상부 전극이 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극인 실시예의 경우, 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극이 없는 경우(비교예 1 및 3) 또는 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극으로만 이루어진 경우(비교예 2 및 4)에 비하여 용량 및 에너지 밀도 모두가 우수함을 알 수 있다.
10: 세퍼레이터 20: 양극
22: 양극 집전체 24: 양극 활물질층
30: 음극 32: 음극 집전체
34: 음극 활물질층
40: 3차원 다공성 집전체를 포함하는 양극
50: 3차원 다공성 집전체를 포함하는 음극
52: 3차원의 다공성 음극 집전체 54: 음극 활물질
U1: 단위 적층체 U2: 단위 적층체

Claims (14)

  1. 적층형 전극 조립체로서,
    상기 전극 조립체의 최하부에 배치되는 최하부 전극;
    상기 전극 조립체의 최상부에 배치되는 최상부 전극;
    하나 이상의, 상기 최하부 전극 및 상기 최상부 전극 사이에 배치되고, 양극; 음극; 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 세퍼레이터;를 포함하는 단위 적층체; 및
    상기 최하부 전극과 상기 단위 적층체, 상기 단위 적층체들 사이 및 상기 단위 적층체와 상기 최상부 전극 사이에 배치되는 세퍼레이터;를 포함하고,
    상기 최하부 전극 또는 상기 최상부 전극은 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극이며,
    상기 최하부 전극 및 최상부 전극을 제외한 나머지 양극 및 음극은 3차원 다공성 집전체를 포함하지 않고,
    상기 최하부 전극 또는 상기 최상부 전극은 상기 3차원 다공성 집전체의 기공에 위치한 전극 활물질을 더 포함하는 적층형 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 최하부 전극 및 상기 최상부 전극 모두가 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극인 적층형 전극 조립체.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 다공성 집전체를 포함하지 않는 전극은 비다공성(non-porous) 전극 집전체 및 상기 전극 집전체의 적어도 일면에 배치된 전극 활물질층을 포함하는 적층형 전극 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단위 적층체는 음극, 세퍼레이터, 양극, 세퍼레이터 및 음극 (또는 양극, 세퍼레이터, 음극, 세퍼레이터 및 양극) 순서로 적층된 바이셀(bi-cell)의 구조를 갖는 적층형 전극 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단위 적층체의 전극 중 적어도 하나가 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극인 적층형 전극 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극을 포함하는, 복수 개의 상기 단위 적층체를 포함하고,
    상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극들이 상기 단위 적층체들 사이에 배치되는 세퍼레이터를 중심으로 연속적으로 적층된 구조를 갖는 적층형 전극 조립체.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극을 포함하는, 복수 개의 상기 단위 적층체를 포함하고,
    상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극들이 상기 단위 적층체들 사이에 배치되는 세퍼레이터 없이 연속적으로 적층된 구조를 갖고,
    상기 연속적으로 적층된 상기 3차원 다공성 집전체를 포함하는 전극들은 동일 극성을 갖는 적층형 전극 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 다공성 집전체가 메탈 폼(metal foam)의 형태를 갖는 적층형 전극 조립체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 다공성 집전체가 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 은(Ag), 텅스텐(W), 백금(Pt), SUS(Steel use stainless) 및 이들의 조합 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 적층형 전극 조립체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 다공성 집전체의 두께가 10㎛ 내지 500㎛인 적층형 전극 조립체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 다공성 집전체의 기공 직경이 0.2㎛ 내지 100㎛인 적층형 전극 조립체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 다공성 집전체의 기공도가 50% 내지 98%인 적층형 전극 조립체.
  14. 제1 항 내지 제2 항 및 제4 항 내지 내지 제13 항 중 어느 하나의 항에 따른 상기 적층형 전극 조립체를 포함하는 리튬 전지.
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US20190051945A1 (en) * 2016-02-29 2019-02-14 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Stack-type nonaqueous electrolyte secondary battery
KR102040257B1 (ko) * 2016-09-13 2019-11-04 주식회사 엘지화학 전극의 제조방법
US11881560B2 (en) * 2016-10-12 2024-01-23 Prologium Technology Co., Ltd. Lithium battery structure and electrode layer thereof
FR3059161B1 (fr) * 2016-11-23 2018-12-07 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Accumulateur metal-ion a empilement d'electrodes, a forte capacite et apte a delivrer des fortes puissances
KR102256302B1 (ko) * 2017-03-09 2021-05-26 삼성에스디아이 주식회사 전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 전지
KR102268176B1 (ko) 2017-08-28 2021-06-22 주식회사 엘지에너지솔루션 리튬 이차전지
KR102271679B1 (ko) * 2017-11-22 2021-07-02 주식회사 엘지에너지솔루션 전극, 전극조립체 및 그 제조방법
CN110828829B (zh) * 2018-08-14 2022-01-11 中南大学 一种3d亲锂多孔金属集流体、负极及其制备和应用
KR102279002B1 (ko) 2018-11-29 2021-07-20 주식회사 엘지에너지솔루션 전극조립체
KR102440243B1 (ko) 2019-02-21 2022-09-06 주식회사 엘지에너지솔루션 전극조립체
CN110391449A (zh) * 2019-07-16 2019-10-29 蜂巢能源科技有限公司 模切叠片系统及方法
KR20210044507A (ko) * 2019-10-15 2021-04-23 주식회사 엘지화학 관통홀이 형성된 금속 플레이트와 상기 관통홀을 충진하는 다공성 보강재를 포함하는 전지용 집전체 및 이를 포함하는 이차전지
CN112786969B (zh) * 2019-11-08 2023-08-29 辉能科技股份有限公司 锂电池结构及其极层结构
KR20210150924A (ko) * 2020-06-04 2021-12-13 주식회사 엘지에너지솔루션 에너지 밀도가 증가된 파우치형 이차전지 및 이의 제조방법

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5795680A (en) * 1995-11-30 1998-08-18 Asahi Glass Company Ltd. Non-aqueous electrolyte type secondary battery
US6740454B1 (en) * 1998-07-27 2004-05-25 Kanebo Limited Organic electrolytic cell with a porous current collector
KR100559364B1 (ko) 2003-05-09 2006-03-10 한국과학기술연구원 다공성의 3차원 집전체로 구성된 전극과 이를 이용한리튬전지, 및 그 제조방법
US9269984B2 (en) * 2009-11-16 2016-02-23 Samsung Sdi Co., Ltd. Electrode assembly and rechargeable battery using the same
CN102884665B (zh) * 2010-04-06 2015-09-30 株式会社Lg化学 改进的堆叠型电池胞或者双电池胞、用于使用该电池胞的二次电池的电极组件及其制造方法
EP2683016A4 (en) 2011-03-03 2014-09-03 Nec Energy Devices Ltd LITHIUM ION BATTERY
JP6301253B2 (ja) * 2011-09-07 2018-03-28 ２４エム・テクノロジーズ・インコーポレイテッド２４Ｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ． 多孔質電流コレクタを有する半固体電極セル及び製造方法
CN102610831A (zh) 2012-03-26 2012-07-25 龙能科技（苏州）有限公司 锂离子电池的电极及其制备方法
CN102610830B (zh) 2012-03-26 2015-03-04 龙能科技（苏州）有限公司 锂离子电池
KR20130132231A (ko) * 2012-05-25 2013-12-04 주식회사 엘지화학 단차를 갖는 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀, 전지팩 및 디바이스
US9711770B2 (en) * 2012-11-27 2017-07-18 Apple Inc. Laminar battery system
KR20150014637A (ko) 2013-07-30 2015-02-09 주식회사 엘지화학 전해액의 추가 공급이 가능한 이차전지
KR101684347B1 (ko) 2013-09-06 2016-12-08 주식회사 엘지화학 최외각면에 절연성 물질이 부가되어 있는 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101621412B1 (ko) 2013-09-11 2016-05-16 주식회사 엘지화학 리튬 전극 및 그를 포함하는 리튬 이차전지
KR101650024B1 (ko) 2013-09-25 2016-08-22 주식회사 엘지화학 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
JP6306710B2 (ja) 2014-01-06 2018-04-04 エルジー・ケム・リミテッド フレキシブル電池セル

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