KR102503954B1 - 이차 전지, 이차 전지를 포함하는 전지 모듈, 전지 팩 및 장치 - Google Patents

이차 전지, 이차 전지를 포함하는 전지 모듈, 전지 팩 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 출원은 이차 전지, 이차 전지를 포함하는 전지 모듈, 전지 팩 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로는, 상기 이차 전지는 케이스, 케이스 내에 수용된 코어 및 전해액을 포함하고, 상기 코어는 정극 시트, 부극 시트 및 세퍼레이터를 포함하고, 상기 정극 시트는 정극 집전체 및 정극 집전체의 적어도 일면에 배치되고 정극 활성재료를 포함하는 정극 필름을 포함하고, 상기 부극 시트는 부극 집전체 및 부극 집전체의 적어도 일면에 배치되고 부극 활성재료를 포함하는 부극 필름을 포함하며, 상기 정극 활성재료는 리튬 니켈 코발트 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함하고, 상기 부극 활성재료는 규소 기반 재료와 탄소 재료를 포함하고, 상기 이차 전지는 0.05
Figure 112022020870735-pct00038
Z
Figure 112022020870735-pct00039
0.6을 충족한다. 해당 이차 전지는 고에너지 밀도, 급속 충전 및 긴 사이클 수명 등 특징을 겸비하고 있다.

Description

이차 전지, 이차 전지를 포함하는 전지 모듈, 전지 팩 및 장치
본 출원은 2019년 09월 27일에 제출된 발명의 명칭이 "이차 전지, 이차 전지를 포함하는 전지 모듈, 전지 팩, 및 장치"인 중국 특허 출원 제201910933499.4호의 우선권을 주장하며, 그 모든 내용은 본문에 원용된다.
본 출원은 전기 화학 기술 분야에 속하며, 특히 이차 전지, 이차 전지를 포함하는 전지 모듈, 전지 팩 및 장치에 관한 것이다.
신에너지 자동차는 세계 자동차 산업의 발전 방향을 나타내고 있다. 이차 전지는 고전압, 고에너지 밀도를 가지는 신형 충전식 전지로서, 경량, 고에너지 밀도, 클린, 장수명 등 뛰어난 특징을 가지고 있어 신에너지 자동차에 널리 적용되고 있다. 소비자의 항속거리에 대한 요구가 높아짐에 따라 대용량 리튬 이온 전지의 개발은 업계의 주목을 받고 있다.
리튬 이온 전지의 에너지 밀도를 향상시키기 위해서는 에너지 밀도가 더 높은 정극 활성재료 및 부극 활성재료가 필요하다. 부극 재료로서 종래의 흑연 부극 재료는 갈수록 기술 발전의 요구를 만족시킬 수 없다. 규소 기반 재료는 흑연의 10배 이상의 그램당 용량과 낮은 리튬 삽입 전위를 가지고 있기 때문에 한때 연구의 핫이슈가 되었다. 그러나 규소 재료는 리튬을 삽입하는 과정에서 엄청난 부피 팽창(300%)이 발생된다. 엄청난 부피 효과로 인해 충 방전 과정에서 분말화 및 탈락이 발생하여 전기 화학적 성능이 악화되어 규소 기반 부극 재료의 상업적 응용을 방해한다.
따라서, 코어의 용량 및 코어의 에너지 밀도 확보를 기반으로, 규소 함유 부극 재료를 이용한 이차 전지의 전기 화학적 성능 및 동역학적 성능을 더욱 향상시킬 필요가 있다.
본 출원의 제1 양태는 이차 전지를 제공하는 바, 해당 이차 전지는 케이스, 케이스 내에 수용된 코어 및 전해액을 포함하고, 코어는 정극 시트, 부극 시트 및 세퍼레이터를 포함하고, 정극 시트는 정극 집전체 및 정극 집전체의 적어도 일면에 배치된 정극 활성재료를 포함하는 정극 필름을 포함하고, 부극 시트는 부극 집전체 및 부극 집전체의 적어도 일면에 배치된 부극 활성재료를 포함하는 부극 필름을 포함하고, 정극 활성재료는 리튬 니켈 코발트 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함하고, 부극 활성재료는 규소 기반 재료와 탄소 재료를 포함하고,
이차 전지는 0.05
Figure 112022020870735-pct00001
Z
Figure 112022020870735-pct00002
0.6을 충족하고, 여기서,
Z={Vt-V0-(Hb-Ha)*S-V1}/CAP이고,
Vt는 케이스 내부 공간의 부피를 나타내며, 단위는 cm3이고,
V0는 전지가 0% SOC일 때 코어의 부피를 나타내며, 단위는 cm3이고,
Ha는 전지가 0% SOC일 때 부극 필름의 두께를 나타내며, 단위는 cm이고,
Hb는 전지가 100% SOC일 때 부극 필름의 두께를 나타내며, 단위는 cm이고,
S는 전지에서 부극 필름의 총 면적을 나타내며, 단위는 cm2이고,
V1은 화성 후의 전지에서 전해액의 부피를 나타내며, 단위는 cm3이고,
CAP는 전지의 정격 용량을 나타내며, 단위는 Ah이다.
본 출원에서는, 전지를 설계할 때 전극 시트, 케이스 부피 및 전해액 함량과 같은 파라미터를 합리적으로 설계하여 특정 관계식을 충족시킴으로써, 이차 전지는 고에너지 밀도, 긴 사이클 수명과 우수한 동역학적 성능을 동시에 겸비하고 있다.
상술한 임의의 실시형태에서, 이차 전지는 0.1
Figure 112022020870735-pct00003
Z
Figure 112022020870735-pct00004
0.5를 충족하고, 선택적으로, 0.15
Figure 112022020870735-pct00005
Z
Figure 112022020870735-pct00006
0.4를 충족한다. Z가 상술한 범위 내에 있으면, 전지의 사이클 수명 및 동역학적 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
상술한 임의의 실시형태에서, 이차 전지는 1<Hb/Ha≤1.5를 충족하고, 선택적으로, 1<Hb/Ha≤1.3을 충족한다.
상술한 임의의 실시형태에서, 이차 전지는 1.5g/Ah≤Mel/CAP≤2.4g/Ah를 충족하고, 선택적으로, 1.7g/Ah≤Mel/CAP≤2.2g/Ah를 충족하고, 여기서, Mel은 화성 후의 전지에서 전해액의 질량을 나타내며, 단위는 g이다. 전지가 해당 조건을 충족하면, 사이클 성능 및 계면 안정성이 더욱 향상된다.
상술한 임의의 실시형태에서, 전해액의 밀도(Del)는 1.0g/cm3≤Del≤1.3g/cm3이고, 선택적으로, 1.1g/cm3≤Del≤1.25g/cm3이다.
상술한 임의의 실시형태에서, 부극 필름의 도포 중량(CW)은 5㎎/cm2≤CW≤15mg/cm2이고, 선택적으로, 6mg/cm2≤CW≤13mg/cm2이다.
상술한 임의의 실시형태에서, 부극 필름의 압밀도(PD)는 1.4g/cm3≤PD≤1.8g/cm3이고, 선택적으로, 1.5g/cm3≤PD≤1.7g/cm3이다.
상술한 임의의 실시형태에서, 규소 기반 재료는 규소 단체, 규소 합금, 규소 산소 화합물, 규소 탄소 화합물, 규소 질소 화합물 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함할 수 있고, 선택적으로 규소 기반 재료는 규소 산소 화합물을 포함할 수 있다.
상술한 임의의 실시형태에서, 부극 활성재료 중 규소 기반 재료의 질량비(W)는, W≤40%를 충족하고, 선택적으로, 10%≤W≤30%를 충족한다. 규소 기반 재료의 함량이 상술한 범위 내에 있을때, 전지는 규소 기반 재료의 높은 에너지 밀도에 따른 이점을 얻을 수 있을뿐만 아니라, 규소 기반 재료의 팽창에 따른 불리한 영향을 감소시킬 수 있다.
상술한 임의의 실시형태에서, 탄소 재료는 흑연, 소프트 카본, 하드 카본 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함할 수 있고, 선택적으로, 탄소 재료는 흑연을 포함할 수 있고, 흑연은 인공 흑연, 천연 흑연으로부터 선택되는 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다.
상술한 임의의 실시형태에서, 케이스의 벽 두께(T)는 0.2mm≤T≤1mm를 충족하고, 선택적으로, 0.4mm≤T≤0.7mm를 충족한다.
상술한 임의의 실시형태에서, 이차 전지는 반전 부재가 설치된 톱 커버를 더 포함하고, 반전 부재의 압축 강도는 ≥0.35MPa이다. 이러한 설계는 전지의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상술한 임의의 실시형태에서, 정극 활성재료는 일반식이 LiaNibCocMdM'eOfAg또는 표면의 적어도 일부에 피복층이 배치된 LiaNibCocMdM'eOfAg중의 한 종류 또는 여러 종류를 포함할 수 있으며, 여기서, 0.8
Figure 112022020870735-pct00007
a
Figure 112022020870735-pct00008
1.2, 0.5≤b<1, 0<c<1, 0<d<1, 0≤e≤0.1, 1≤f≤2, 0≤g≤1이고, M은 Mn, Al로부터 선택된는 한 종류 또는 여러 종류이며, M'는 Zr, Al, Zn, Cu, Cr, Mg, Fe, V, Ti, B로부터 선택되는 한 종류 또는 여러 종류이고, A는 N, F, S, Cl로부터 선택되는 한 종류 또는 여러종류 이다. 이러한 유형의 정극 활성재료는 더 높은 에너지 밀도를 갖는다.
상술한 임의의 실시형태에서, 정극 활성재료의 적어도 일부는 단결정 입자일 수 있다.
상술한 임의의 실시형태에서, 정극 활성재료는, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 인산철 리튬, 인산 망간 리튬, 인산 망간 철 리튬, 코발트산 리튬 및 그의 개질 화합물 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함할 수 있다.
본 출원의 제2 양태는 본 출원의 제1 양태에 따른 이차 전지를 포함하는 전지 모듈을 제공한다.
본 출원의 제3 양태는 본 출원의 제2 양태에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩을 제공한다.
본 출원의 제 4 양태는 본 출원의 제1 양태에 따른 이차 전지, 본 출원의 제2 양태에 따른 전지 모듈, 또는 본 출원의 제3 양태에 따른 전지 팩 중 적어도 한 종류를 포함하는 장치를 제공한다.
본 출원의 전지 모듈, 전지 팩 및 장치는 본 출원의 이차 전지를 사용하기 때문에 동일하거나 유사한 기술적 효과를 갖는다.
이하, 본 출원의 실시예의 기술적 수단을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 필요한 도면에 대해 간단히 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 도면은 본 출원의 일부 실시예에 불과하며, 당업자라면 이러한 도면을 기반으로 창조적 작업 없이 다른 도면을 얻을 수 있다.
도 1은 본 출원에 따른 이차 전지의 일 실시형태의 개략도이다.
도 2는 도 1의 분해도이다.
도 3은 본 출원에 따른 전지 모듈의 일 실시형태의 개략도이다.
도 4은 본 출원에 따른 전지 팩의 일 실시형태의 개략도이다.
도 5는 도 4의 분해도이다.
도 6은 본 출원에 따른 장치의 일 실시형태의 개략도이다.
본 출원의 발명의 목적, 기술적 수단 및 유익한 기술적 효과를 보다 명확하게 하기 위해, 이하 본 출원을 실시예와 함께 보다 상세히 설명한다. 본 명세서에서 설명되는 실시예는 단지 본 출원을 해석하기 위한 것일 뿐, 본 출원을 제한하기 위한 것이 아님을 이해해야 한다.
간단하게 하기 위해, 본 명세서에서는 단지 일부 수치 범위만을 명확하게 개시하고 있다. 하지만, 임의의 하한은 임의의 상한과 조합하여 명확하게 기재되지 않은 범위를 형성할 수 있고, 임의의 하한은 다른 하한과 조합하여 명확하게 기재되지 않은 범위를 형성할 수 있으며, 마찬가지로, 임의의 상한은 임의의 다른 상한과 조합하여 명확하게 기재되지 않은 범위를 형성할 수 있다. 또한, 비록 명확하게 기재되어 있지는 않지만, 범위의 끝점 사이의 각 점 또는 단일 수치는 모두 그 범위 내에 포함된다. 따라서 각 점 또는 단일 수치는 자체의 하한 또는 상한으로서 임의의 다른 점 또는 단일 수치와 조합하거나 혹은 다른 하한 또는 상한과 조합하여 명확하게 기재되지 않은 범위을 형성할 수 있다.
본 명세서의 설명에서, 별도의 설명이 없는 한, "이상" 및 "이하"는 대상이 되는 숫자를 포함하고, "한 종류 또는 여러 종류" 중의 "여러 종류"는 두 종류 또는 두 종류 이상을 의미한다.
본 명세서의 설명에서, 별도의 설명이 없는 한, "또는"은 포괄적인 것을 의미한다. 예를 들어, 문구 "A 또는 B"는 "A, B 또는 A 와 B 양자"를 나타낸다. 보다 구체적으로, A가 참(또는 존재)이고, B는 거짓(또는 존재하지 않음)인 경우, A가 거짓(또는 존재하지 않음)이고, B가 참(또는 존재)인 경우, 또는 A와 B가 모두 참 (또는 존재) 인 경우에, 모두 조건 "A 또는 B"를 충족한다.
본 출원의 상기 발명의 내용은, 본 출원에 개시된 각 실시형태 또는 각 구현형태를 설명하고자 하는 것은 아니다. 이하의 설명은 예시적인 실시형태를 보다 구체적으로 예시하고 설명한다. 본 명세서의 전반에 걸쳐, 여러가지 조합으로 사용할 수 있는 일련의 실시예를 통해 지침을 제공한다. 각 실시예에서 열거하는 것은 대표적인 그룹일 뿐, 포괄적인 것으로 해석되어서는 안된다.
이하, 본 출원의 제1 양태에 따른 이차 전지에 대하여 상세히 설명한다.
본 출원의 이차 전지는 케이스, 케이스 내에 수용된 코어 및 전해액을 포함하고, 상기 코어는 정극 시트, 부극 시트 및 세퍼레이터를 포함하고, 상기 정극 시트는 정극 집전체 및 정극 집전체의 적어도 일면에 배치되고 정극 활성재료를 포함하는 정극 필름을 포함하고, 상기 부극 시트는 부극 집전체 및 부극 집전체의 적어도 일면에 배치되고 부극 활성재료를 포함하는 부극 필름을 포함하고, 상기 정극 활성재료는 리튬 니켈 코발트 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함하고, 상기 부극 활성재료는 규소 기반 재료와 탄소 재료를 포함하고, 상기 이차 전지는 0.05
Figure 112022020870735-pct00009
Z
Figure 112022020870735-pct00010
0.6을 충족한다.
본 출원에서, Z값은 Z={Vt-V0-(Hb-Ha)*S-V1}/CAP로 정의된다. 여기서, Vt는 케이스 내부 공간의 부피를 나타내며, 단위는 cm3이고, V0는 전지가 0% SOC일 때 코어의 부피를 나타내며, 단위는 cm3이고, Ha는 전지가 0% SOC일 때 부극 필름의 두께를 나타내며, 단위는 cm이고, Hb는 전지가 100% SOC일 때 부극 필름의 두께를 나타내며, 단위는 cm이고, S는 부극 필름의 총 면적을 나타내며, 단위는 cm2이고, V1은 화성 후의 전지에서 전해액의 부피를 나타내며, 단위는 cm3이고, CAP는 전지의 정격 용량을 나타내며, 단위는 Ah이다.
또한, 전지가 0% SOC일 때의 상태를 "전지 완전 방전 상태"라고 하는 경우도 있다. 전지가 100% SOC일 때의 상태를 "전지 완전 충전 상태"라고 하는 경우도 있다.
전지의 정격 용량(CAP)은 실온에서 완전 충전된 전지가 1I1(A)의 전류로 방전되어 종료 전압에 도달할 때까지 방출된 용량을 가리키고, I1은 1시간 방전 전류를 나타낸다. 구체적으로, 국가 표준 GB/T31484-2015의 전기 자동차용 파워 전지의 사이클 수명 요구 사항 및 측정 방법을 참조할 수 있다.
본 발명자들은, 이차 전지의 부극 필름에 있어서 규소 기반 재료를 부극 재료로 사용하는 경우, 전지의 안전 성능, 사이클 수명 및 동역학적 성능에 큰 영향을 미친다는 것을 발견하였다. 전지의 연구 개발 과정에서 본 발명자들은 전지의 조립 과정에서 케이스 부피, 전극 시트 및 전해액의 관련 파라미터 등을 조정하여 특정 관계식을 충족시키는 경우, 규소 함유 부극 재료를 사용하는 전지의 사용 중 가스 생성, 사이클, 계면 등 문제를 효과적으로 개선하여, 전지가 높은 에너지 밀도를 가지는 전제하에 긴 사이클 수명과 우수한 동역학적 성능 및 안전 성능을 동시에 겸비할 수 있음을 발견하였다.
Z<0.05인 경우, 규소 함유 부극 활성재료를 사용하는 전지가 충전될 때, 규소 부극 필름의 반발이 심각하여 케이스의 내부 공간을 거의 다 차지하고, 베어 코어 시트가 케이스에 닿을 수 있기 때문에, 정극과 부극이 접촉하여 단락이 발생될 수 있고, 심지어 안전 문제까지 발생될 수 있다는 것을 발견했다. 또한, 케이스의 내부 공간을 완전히 차지하는 경우, 단시간 순환하거나 저장으로 인해 전지의 반전 부재가 작동하지 않고 코어가 폐기될 가능성이 있다.
Z>0.6인 경우, 전지의 사용 과정에서 생성된 가스가 전극 시트에 남을 수 있으므로, 전극 시트의 계면의 불량을 일으켜 전지의 동역학적 성능에 영향을 주어 부극 시트에 대량의 흑색 반점 리튬 석출이 발생하여, 가볍게는 전지의 사용 수명에 영향을 주며, 심하면 안전 위험이 있으수 있다는 것을 발견했다.
본 출원의 일부 실시양태에서, Z의 하한값은 0.05, 0.1, 0.12, 0.14, 0.16, 0.18, 0.2, 0.22, 0.23, 0.25, 0.27, 0.28, 0.3, 0.35, 0.38, 0.4 중 어느 하나일 수 있고, Z의 상한값은 0.4, 0.42, 0.45, 0.48, 0.5, 0.55, 0.6 중 어느 하나일 수 있다.
본 출원의 일부 실시형태에서, 선택적으로, 상기 전지는 0.1
Figure 112022020870735-pct00011
Z
Figure 112022020870735-pct00012
0.5를 충족하고, 예를 들어, 상기 전지는 0.15
Figure 112022020870735-pct00013
Z
Figure 112022020870735-pct00014
0.4, 0.146
Figure 112022020870735-pct00015
Z
Figure 112022020870735-pct00016
0.435, 0.217
Figure 112022020870735-pct00017
Z
Figure 112022020870735-pct00018
0.346등을 충족한다.
본 출원의 일부 실시형태에서, 선택적으로, 상기 이차 전지는 1<Hb/Ha≤1.5를 충족하고, 예를 들어, 1<Hb/Ha≤1.3을 충족한다.
본 출원에 있어서, 상기 이차 전지는 상기 케이스를 밀봉하기 위해 사용되고 반전 부재가 설치되어 있는 톱 커버를 더 포함하고, 이차 전지 내부의 기압이 일정한 압력까지 증가되면, 상기 반전 부재가 변형된다. 전지의 내부 압력 값이 작을수록 내고온(예를 들어, 45℃) 성능이 더 우수하고, 고온에서의 가스 생성으로 인한 고장 확률이 낮고, 내부 압력이 일정한 수치 범위를 초과하는 경우, 전지의 내고온 수명이 짧아진다.
본 출원의 일부 실시형태에서, 선택적으로 상기 반전 부재의 압축 강도는 ≥0.35MPa이다.
본 출원의 일부 실시형태에서, 상기 이차 전지는 1.5g/Ah≤Mel/CAP≤2.4g/Ah를 충족하며, 여기서 Mel은 화성 후의 전지에서 전해질의 질량을 나타내며 단위는 g이다. 전지가 해당 조건을 충족시키면 사이클 성능 및 계면 안정성이 더욱 향상된다.
본 출원의 일부 실시형태에서, Mel/CAP의 하한값은 1.5, 1.55, 1.6, 1.65, 1.7, 1.8, 1.9 중 어느 하나 일 수 있으며, Mel/CAP의 상한값은 1.7, 1.8, 2.0, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 중 어느 하나일 수 있다.
본 출원의 일부 실시형태에서, 선택적으로, 상기 이차 전지는 1.7g/Ah≤Mel/CAP≤2.2g/Ah, 1.6g/Ah≤Mel/CAP≤2.02g/Ah, 1.75g/Ah≤Mel/CAP≤2.15g/Ah, 1.8g/Ah≤Mel/CAP≤2.1g/Ah등을 충족한다.
본 출원의 일부 실시형태에서, 선택적으로, 상기 전해액의 밀도(Del)는 1.0g/cm3≤Del≤1.3g/cm3이고, 예를 들어, 1.1g/cm3≤Del≤1.25g/cm3이다.
본 출원의 이차 전지는 케이스, 케이스 내에 고정된 코어 및 케이스 내에 주입된 전해액을 포함하고, 상기 코어는 정극 시트, 부극 시트 및 세퍼레이터를 포함하고, 상기 코어는 전해액에 잠겨 있으며, 활성 이온은 전해액을 매체로 정극과 부극 사이에서 이동하여 전지의 충 방전을 실현한다. 정극과 부극 사이에서 단락이 발생하는 것을 방지하기 위해, 세퍼레이터를 이용하여 정극 및 부극 시트 사이를 격리시킬 필요가 있다.
상기 코어는 권취 또는 적층하는 방식을 이용할 수 있다. 코어가 권취하는 방식을 이용하는 경우, 상기 전지의 케이스에는 하나 또는 여러 개의 권취 코어를 포함될 수 있다.
본 출원의 일부 실시형태에서, 선택적으로, 상기 이차 전지의 케이스는 하드 케이스이고, 상기 케이스의 재료는 알루미늄 케이스, 스틸 케이스, 플라스틱 등의 경질 재료를 선택할 수 있다.
본 출원의 일부 실시형태에서, 선택적으로, 상기 이차 전지는 사각형 전지 또는 원통형 전지 일 수 있다. 도 1은 일례로서의 사각형 구조의 전지 모듈(5)을 도시한다. 일부 실시형태에서,도 2를 참조하면, 외포장은 케이스(51) 및 커버 플레이트(53)를 포함한다. 여기서, 케이스(51)는, 바닥판과, 바닥판에 연결된 측판을 포함하고, 바닥판과 측판이 둘러싸서 수용 캐비티를 형성한다. 케이스(51)는 수용 캐비티와 연통하는 개구를 구비하고, 커버 플레이트(53)는 상기 수용 캐비티을 밀봉하도록 개구를 커버한다. 정극 시트, 부극 시트 및 세퍼레이터는 권취 공정 또는 적층 공정을 거쳐 전극 어셈블리(52)를 형성할 수 있다. 전극 어셈블리(52)는 상기 수용 캐비티 내에 밀봉된다. 전해액은 전극 어셈블리(52) 내에 침윤된다. 이차 전지(5)에 포함되는 전극 어셈블리(52)의 개수는 하나 또는 여러 개일 수 있는 바, 수요에 따라 조정할 수 있다.
본 출원의 일부 실시형태에서, 선택적으로, 상기 전지 케이스의 벽 두께(T)는 0.2mm≤T≤1mm를 충족하고, 예를 들어, 0.4mm≤T≤0.7mm를 충족한다.
본 명세서에 따른 각 파라미터는 본 기술 분야에서 공지된 방법에 의해 측정될 수 있다. 예를 들어, 본 출원의 실시예에 기재된 방법에 따라 측정할 수 있다.
이하, 리튬 이온 이차 전지를 예로 본 출원의 기술적 수단을 상세히 설명한다.
먼저, 전지의 정극 시트는 본 기술 분야의 통상적인 방법에 따라 제조한다. 본 출원에서는, 정극 활성재료가 리튬 니켈 코발트 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함할 것을 요구하는 것 외에, 정극 시트에 대해서 한정하지 않는다. 일반적으로, 상기 정극 활성재료에는, 도전제(예를 들어, 카본 블랙 등 탄소 재료), 접착제(예를 들어, PVDF) 등을 첨가할 필요가 있다. 수요에 따라, 기타 정극 활성재료 또는 기타 첨가제(예를 들어, PTC 서미스터 재료 등)를 첨가 할 수도 있다. 일반적으로, 이러한 재료를 혼합하여 용매(예를 들어, NMP)에 분산시켜 균일하게 교반한 후, 정극 집전체에 균일하게 도포하고, 건조를 거쳐 정극 시트를 얻는다. 정극 집전체로서는 알루미늄박 등 금속박이나 다공질 금속판 등 재료를 사용할 수 있다. 바람직하게는 알루미늄박을 사용한다.
다음으로, 부극 시트를 제조한다. 본 출원의 부극 시트는 본 기술 분야의 공지된 방법에 의해 제조될 수 있다. 일반적으로, 부극 활성재료와 선택적인 도전제(예를 들어, 카본 블랙 등 탄소 재료 및 금속 입자 등), 접착제(예를 들어, SBR), 기타 선택적인 첨가제(예를 들어, PTC 서미스터 재료) 등 재료를 혼합하여 용매(예를 들어, 탈이온수)에 분산시켜 균일하게 교반한 후, 부극 집전체에 균일하게 도포하고, 건조를 거쳐 부극 필름 층을 포함하는 부극 시트를 얻는다. 부극 집전체로서는, 구리박 등 금속박이나 다공질 금속판 등 재료를 사용할 수 있다. 바람직하게는 구리박을 사용한다.
또한, 정극 시트 및 부극 시트를 제조할 때, 집전체의 양면에 도포할 수 있고, 편면에 도포할 수도 있다. Z값을 계산할 때, Ha,Hb는 모두 부극 시트의 편면의 두께(편면 도포 또는 양면 도포에 관계 없음)를 나타내고, S는 부극 필름의 총 면적(즉, 편면 도포인 경우에는 편면의 면적을 나타내고, 양면 도포인 경우에는 양면의 총 면적을 나타냄)을 나타낸다.
마지막으로, 세퍼레이터가 정극 시트와 부극 시트 사이에서 격리 작용을 하도록, 정극 시트, 세퍼레이터 및 부극 시트를 순차적으로 적층하고, 권취하여 코어를 얻는다. 코어를 외포장 하우징에 넣고 톱 커버를 덮고, 건조시킨 후 전해액을 주입하고, 진공 포장, 방치, 화성, 성형 등 공정을 거쳐 전지를 획득한다.
본 출원의 전지에 있어서, 정극 시트는, 정극 집전체 및 정극 집전체의 적어도 일면 에 배치되고 정극 활성재료를 포함하는 정극 필름을 포함한다. 상기 정극 활성재료는 리튬 니켈 코발트 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함한다. 선택적으로, 상기 정극 활성재료는 일반식이 LiaNibCocMdM'eOfAg또는 표면의 적어도 일부에 피복층이 배치된 LiaNibCocMdM'eOfAg중의 한 종류 또는 여러 종류를 포함하며, 여기서 0.8
Figure 112022020870735-pct00019
a
Figure 112022020870735-pct00020
1.2, 0.5≤b<1, 0<c<1, 0<d<1, 0≤e≤0.1, 1≤f≤2, 0≤g≤1이며, M은 Mn, Al에서 선택되는 한 종류 또는 여러 종류이고, M'는 Zr, Al, Zn, Cu, Cr, Mg, Fe, V, Ti, B에서 선택되는 한 종류 또는 여러 종류이며, A는 N, F, S, Cl에서 선택되는 한 종류 또는 여러 종류이다.
본 출원의 일부 실시형태에서, 선택적으로, 정극 활성 재료의 적어도 일부는 단결정 입자이다.
일반적으로, 상기 정극 시트는 도전제(예를 들어, 아세틸렌 블랙 등), 접착제(예를 들어, PVDF 등) 및 기타 선택적인 첨가제(예를 들어, PTC 서미스터 재료 등)를 더 포함한다.
상기 정극 집전체의 종류는 특별히 제한되지 않고, 실제 수요에 따라 선택할 수 있다. 구체적으로, 상기 정극 집전체는 알루미늄박 등 금속박을 선택할 수 있다.
본 출원의 전지의 부극 시트는 부극 집전체 및 부극 집전체의 적어도 일면에 배치되고 부극 활성 재료를 포함하는 부극 필름을 포함하고, 상기 부극 활성재료는 규소 기반 재료와 탄소 재료를 포함한다.
상기 규소 기반 재료는 규소 단체, 규소 합금, 규소 산소 화합물, 규소 탄소 복합물, 규소 질소 화합물 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함하고, 선택적으로, 상기 규소 기반 재료는 규소 산소 화합물을 포함한다.
본 출원의 일부 실시형태에서, 선택적으로, 상기 부극 활성재료에서 상기 규소 기반 재료의 질량비는 0<W≤40%이고, 예를 들어 5%≤W≤40%, 10%≤ W≤30% 등이다. 규소 기반 재료의 함량이 상기 범위 내에 있을때, 전지는 규소 기반 재료의 높은 에너지 밀도에 따른 이점을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 규소 기반 재료의 팽창에 따른 불리한 영향을 감소시킬 수 있다.
상기 탄소 재료는 흑연, 소프트 카본, 하드 카본 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함하고, 바람직하게는 흑연을 포함한다. 상기 흑연은 인공 흑연, 천연 흑연에서 선택되는 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다.
일반적으로, 상기 부극 필름은 도전제 및 접착제를 더 포함한다.
본 출원의 일부 실시형태에서, 선택적으로, 상기 도전제는 전체 부극 필름에 대한 중량 함량이 ≤10%, 예를 들어 2%~8% 등인 탄소 나노 튜브(CNT)를 포함한다.
본 출원의 일부 실시형태에서, 선택적으로, 상기 접착제는 전체 부극 필름에 대한 중량 함량이 ≤10%, 예를 들어 2%~8% 등인 폴리아크릴산계 화합물을 포함하고, 상기 폴리아크릴산계 화합물은 폴리아크릴산 및/또는 폴리아크릴산나트륨에서 선택되는 한 종류 또는 여러 종류일 수 있다.
본 출원의 일부 실시형태에서, 선택적으로, 상기 부극 필름의 도포 중량(CW)은 5mg/cm2≤CW≤15mg/cm2이고, 예를 들어, 6mg/cm2≤CW≤13mg/cm2등이다.
본 출원의 일부 실시예에서, 선택적으로, 상기 부극 필름의 압밀도(PD)의 범위는 1.4g/cm3≤PD≤1.8g/cm3이고, 예를 들어,1.5g/cm3≤PD≤1.7g/cm3이다.
상기 부극 집전체의 종류는 특별히 제한되지 않고, 실제 수요에 따라 선택할 수 있다. 구체적으로, 상기 부극 집전체는 구리박 등 금속박을 선택할 수 있다.
본 출원에 있어서, 상기 정극 필름은 정극 집전체의 일면에 배치될 수 있고, 정극 집전체의 양면에 동시에 배치될 수도 있다. 상기 부극 필름은 부극 집전체의 일면에 배치될 수 있고, 부극 집전체의 양면에 동시에 배치될 수도 있다. 또한, 상기 정극 필름, 부극 필름이 집전체의 양면에 동시에 배치되는 경우, 전술한 각 정극 필름, 부극 필름의 파라미터 범위는 모두 편면의 정극 필름, 부극 필름의 파라미터 범위(예를 들어 두께, 도포 중량, 압밀도 등)를 가리킨다. 또한 본 출원의 상기 정극 필름, 부극 필름의 두께, 도포 중량은 모두 냉간 프레스에 의해 압축된 후, 전지를 조립하는데 사용되는 정극 시트, 부극 시트에서의 두께 및 도포 중량을 가리킨다.
본 출원의 이차 전지에서, 상기 세퍼레이터는 정극 시트와 부극 시트 사이에 배치되어 격리 작용을 한다. 여기서, 상기 세퍼레이터의 종류는 특별히 제한되지 않고, 기존 전지에 사용되는 임의의 세퍼레이터일 수 있는 바, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 폴리불화비닐리덴 및 이들의 다층 복합 필름일 수 있으며 , 이에 한정되지 않는다.
본 출원의 이차 전지에서, 상기 전해액의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 상기 전해액은 전해질염 및 유기 용매를 포함할 수 있고, 전해질염 및 유기 용매의 종류는 모두 특별히 제한되지 않고, 실제 수요에 따라 선택할 수 있다. 예를 들어, 비수 전해액으로는 일반적으로 유기 용매에 용해된 리튬염 용액이 사용된다. 리튬염은 예를 들어 LiClO4,LiPF6,LiBF4,LiAsF6,LiSbF6등의 무기 리튬염, 또는 LiCF3SO3,LiCF3CO2,Li2C2F4(SO3)2,LiN(CF3SO2)2,LiC(CF3SO2)3,LiCnF2n+1SO3(
Figure 112022020870735-pct00021
)등의 유기 리튬염일 수 있다. 비수 전해액에 사용되는 유기 용매는, 예를 들어 에틸렌카보네이트나 프로필렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트 등의 고리형 카보네이트, 디메틸카보네이트나 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트 등의 사슬형 카보네이트, 메틸프로피오네이트 등의 사슬형 에스테르, γ-부티로락톤 등의 고리형 에스테르, 디메톡시에탄이나 디에틸에테르, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜디메틸에테르 등의 사슬형 에테르, 테트라히드로푸란이나 2-메틸테트라히드로푸란 등의 고리형 에테르, 아세토니트릴이나 프로피오니트릴 등의 니트릴류, 또는 이러한 용매의 혼합물이다. 상기 전해액은 첨가제를 더 포함할 수 있고, 상기 첨가제의 종류는 특별히 제한되지 않고, 부극 성막용 첨가제일 수 있고, 정극 성막용 첨가제일 수도 있다. 전지의 특정 성능을 향상시킬 수 있는 첨가제일 수도 있으며, 예를 들어, 전지의 과충전 성능을 개선하는 첨가제, 전지의 고온 성능을 개선하는 첨가제, 전지의 저온 성능을 개선하는 첨가제 등일 수 있다. 선택적으로, 상기 첨가제는 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC)를 포함한다.
본 출원의 이차 전지는 공지된 방법에 따라 제조할 수 있지만, 전지를 제조하기 전에 본 출원에 따른 파라미터를 동시에 고려할 필요가 있다. 예를 들어, 전지를 제조하는 과정에서의 화성 공정에서 일부 전해액을 소모하는 바, 화성 후 전지 내부의 전해액 총 질량이 설계 요구 사항을 충족하도록 하기 위해, 경험에 따라 초기 전해액의 첨가량을 계산해야 한다. 여기서, 초기 전해액의 첨가량=화성 후 전지내의 전해액의 총 질량+화성에 의해 소모된 전해액의 질량 이다. 선택적으로, 본 출원의 이차 전지에서 화성 공정에서 소모된 전해액의 질량은 0.1g/Ah~0.3g/Ah 범위 내에서 고려할 수 있다.
종래의 이차 전지와 비교하면, 본 출원은 이차 전지가 높은 에너지 밀도를 갖는 전제하에 전지의 고온 사이클 성능 및 동역학적 성능을 효과적으로 개선할 수 있다. 따라서 신에너지 자동차 등 분야에서 매우 중요한 의미가 있다.
본 출원의 제2 양태는 본 출원의 제1 양태에 따른 임의의 한 종류 또는 여러 종류의 이차 전지를 포함하는 전지 모듈을 제공한다. 상기 전지 모듈에서 이차 전지의 개수는 전지 모듈의 용도 및 용량에 따라 조정할 수 있다.
일부 실시형태에서, 도 3를 참조하면, 전지 모듈(4)에서 복수의 이차 전지(5)는 전지 모듈(4)의 길이 방향을 따라 순차적으로 배열될 수 있다. 물론 다른 임의의 방식으로 배치될 수도 있다. 또한, 패스너로 복수의 이차 전지(5)를 고정할 수도 있다.
선택적으로, 전지 모듈(4)은 복수의 이차 전지(5)가 수용되는 수용 공간을 갖는 하우징을 더 포함할 수 있다.
본 출원의 제 3 양태는 본 출원의 제1 양태에 따른 임의의 한 종류 또는 여러 종류의 이차 전지, 또는 본 출원의 제2 양태에 따른 임의의 한 종류 또는 여러 종류의 전지 모듈을 포함하는 전지 팩을 제공한다.
본 출원의 전지 팩은 본 출원의 이차 전지를 이용하기 때문에, 높은 에너지 밀도, 사이클 성능 및 저장 성능을 동시에 겸비할 수 있다.
상기 전지 팩에서 전지 모듈의 개수는 전지 팩의 용도 및 용량에 따라 조정할 수 있다.
일부 실시형태에서, 도 4 및 도 5를 참조하면, 전지 팩(1)은 전지 박스 및 전지 박스 내에 배치된 복수의 전지 모듈(4)을 포함할 수 있다. 전지 박스는 상부 박스 바디(2) 및 하부 박스 바디(3)를 포함하고, 상부 박스 바디(2)는 하부 박스 바디(3)를 커버하도록 배치되어 전지 모듈(4)을 수용하기 위한 밀폐 공간을 형성한다. 복수의 전지 모듈(4)은 임의의 방식으로 전지 박스 내에 배열될 수 있다.
본 출원의 제4 양태는 본 출원에 따른 이차 전지, 전지 모듈 및 전지 팩 중 적어도 한 종류를 포함하는 장치를 제공한다. 상기 이차 전지는 상기 장치의 전원으로서 사용될 수 있고, 상기 장치의 에너지 저장 유닛으로서 사용될 수도 있다. 상기 장치는, 모바일 기기(예를 들어 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등), 전동 자동차(예를 들어 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 플러그인 하이브리드 전기 자동차, 전기 자전거, 전기 스쿠터, 전기 골프 카트, 전기 트럭 등), 전기 기차, 선박 및 위성, 에너지 저장 시스템 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
예를 들어, 도 6은 일 예로서의 장치를 도시한다. 해당 장치는 순수 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 또는 플러그인 하이브리드 전기 자동차 등이며, 여기서, 본 출원의 이차 전지, 전지 모듈, 전지 팩 중 적어도 한 종류를 포함한다. 본 출원의 이차 전지, 전지 모듈 및 전지 팩은 해당 장치에 전력을 공급한다.
이하, 실시예를 참조하여 본 출원의 유익한 효과를 더 설명한다.
실시예
본 출원의 발명의 목적, 기술적 수단 및 유익한 기술적 효과를 보다 명확하게 하기 위해, 이하, 본 출원을 실시예와 함께 보다 상세히 설명한다. 그러나, 본원에 기재된 실시예는 단지 본 출원을 설명하기 위한 것이며, 본 출원을 제한하는 것이 아니고, 본 출원의 실시예는 본 명세서에 기재된 실시예에 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 실시예에 있어서, 구체적인 실험 조건 또는 조작 조건이 명시되지 않은 경우, 통상의 조건으로 제조하거나, 재료 공급업체가 권장하는 조건에 따라 제조한다.
가.측정용 전지 제조
각 실시예 및 비교예의 전지는 모두 하기의 방법에 따라 제조 및 측정을 수행하였다.
실시예1
전지의 정격 용량은 70Ah이다.
(1)정극 시트 제조
정극 활물질인 NCM811(LiNi0 . 8Co0 . 1Mn0 . 1O2),도전제인 아세틸렌 블랙, 접착제인 PVDF를 96:2:2의 질량비로 혼합하여 NMP 용매에 첨가하고, 진공 교반기의 작용으로 균일하게 교반하여 정극 슬러리를 얻는다. 정극 슬러리를 정극 집전체의 알루미늄박에 균일하게 도포하고, 실온에서 건조시킨 후, 오븐에 옮겨 계속 건조한 후, 냉간 압연, 슬리팅, 재단을 거쳐 정극 시트를 얻는다.
(2)부극 시트 제조
부극 활물질, 도전제인 아세틸렌 블랙, 접착제인 폴리아크릴산나트륨을 일정한 질량비로 혼합(자세한 내용은 표1 참조)하여 탈이온수에 첨가하고, 진공 교반기의 작용으로 균일하게 교반하여 부극 슬러리를 얻는다. 부극 슬러리를 부극 집전체의 구리박에 균일하게 도포한 다음 냉간 압연, 슬리팅, 재단을 거쳐 부극 시트를 얻는다.
(3) 전해액 조제
에틸렌카보네이트(EC), 에틸메틸카보네이트(EMC) 및 디에틸카보네이트(DEC)를 EC: EMC:DEC=1:1:1의 체적비로 혼합하여 유기용매를 얻고, 충분히 건조된 농도가 1mol/L인 리튬염 LiPF6를 유기 용매에 용해시킨 후, 질량 백분율이 6%인 플루오로에틸렌카보네이트(FEC)를 첨가하고, 균일하게 혼합하여 전해액을 얻는다.
(4) 세퍼레이터
세퍼레이터로서 폴리에틸렌 필름이 사용된다.
(5) 리튬 이온 전지 제조
세퍼레이터가 정극 시트와 부극 시트 사이에서 격리 작용을 하도록, 정극 시트, 세퍼레이터 및 부극 시트를 순차적으로 적층하고, 권취하여 코어를 얻는다. 코어를 내부 부피가 364cm3인 외포장 하우징에 넣고, 톱 커버를 덮고, 건조시킨 후 전해액을 주입하고, 진공 포장, 방치, 화성, 성형 등 공정을 거쳐 리튬 이온 전지를 획득한다.
실시예 2~28 및 비교예 1~12는 실시예 1의 제조 방법과 유사한 바, 그 차이점은, 관련 공정 파라미터를 조정하여 Z 값을 변경시키는 것이다.
나. 전지의 파라미터 및 성능 측정
1. 파라미터 측정 방법
(1) 케이스 내부 부피(Vt)
케이스가 직사각형(직방체 또는 입방체)인 경우, 직선자를 사용하여 케이스 내부의 길이(A), 너비(B), 높이(C)를 측정하면, Vt=A*B*C이다.
케이스가 원통형인 경우, 직선자 및 버니어 캘리퍼스를 사용하여 케이스 내부의 직경(A), 높이(h)를 측정하면, Vt=h*π*(0.5*A)2이다.
(2) 전지가 0% SOC일 때 코어의 부피(V0)
각 실시예 및 비교예의 전지를 1C의 배율로 0% SOC까지 방전시킨 후, 배수법을 사용하여 코어의 부피(V0)를 측정한다.
(3) 전해액 밀도(Del)
일정 부피 V(cm3)의 전해액을 취하고, 전자 저울로 그 질량 m(g)을 측정하면, Del=m/V이다.
(4) 전지가 0% SOC일 때 부극 필름의 두께(Ha)
각 실시예 및 비교예의 전지를 1C의 배율로 0% SOC까지 방전시킨 후, 마이크로미터를 사용하여 부극 필름의 두께(Ha)(편면)을 측정한다.
(5) 전지가 100% SOC일 때 부극 필름의 두께(Hb)
각 실시예 및 비교예의 전지를 1C의 배율로 100% SOC까지 충전한 후, 마이크로미터를 사용하여 부극 필름의 두께(Hb)(편면)를 측정한다.
(6) 부극 필름의 총 면적
권취형 코어
1) 편면 도포
S=부극 필름의 전체 길이*부극 필름의 너비*케이스 내의 코어 개수
2) 양면 도포
S=2*부극 필름의 전체 길이(편면)*부극 필름의 너비(편면)*케이스 내의 코어 개수
적층형 코어
1) 편면 도포
S=단일 부극 시트에서 부극 필름의 길이*단일 부극 시트에서 부극 필름의 너비*부극 시트의 개수
2) 양면 도포
S=2*단일 부극 시트에서 부극 필름의 길이(편면)*단일 부극 시트에서 부극 필름의 너비(편면)*부극 시트의 개수
2. 성능 측정 방법
(1) 고온 저장 가스 생성
실시예 및 비교예에서 제조된 리튬 이온 전지에 가스 생성 장치를 설치하고, 1C/1C로 완전 충 방전하여 용량을 측정한 후, 다시 1C로 완전 충전하고, 전지를 70℃에서 72시간 저장하여 내부 압력 값을 독출한다.
(2) 동역학적 성능 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 리튬 이온 전지를 25℃에서 3C로 완전 충전하고 1C로 완전 방전하는 것을 10회 반복한 다음, 리튬 이온 전지를 3C로 완전 충전한 후, 부극 시트를 분해하여 부극 시트의 평탄도와 표면의 리튬 석출 상황을 관찰한다. 여기서, 부극 표면의 리튬 석출 영역의 면적이 5% 미만이면 리튬 석출이 경미한 것으로 간주하고, 부극 표면의 리튬 석출 영역의 면적이 5%~40%이면 리튬 석출이 중등도 인 것으로 간주하며, 부극 표면의 리튬 석출 영역의 면적이 40%를 초과하면 리튬 석출이 심각한 것으로 간주한다.
(3) 사이클 성능 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 리튬 이온 전지를 45℃에서 1C의 배율로 충전하고, 1C의 배율로 방전하여, 리튬 이온 전지의 용량이 초기 용량의 80%로 감소될 때까지 완전 충 방전 사이클을 수행하고 사이클 횟수를 기록한다.
다. 각 실시예, 비교예의 측정 결과
각 실시예 및 비교예의 전지 구성 데이터 및 성능 측정 결과는, 하기 표 1 내지 표 2에 나타낸다.
실시예 1∼28에서 알 수 있다시피, 전지의 Z={Vt-V0-(Hb-Ha)*S-V1}/CAP가 0.05
Figure 112022020870735-pct00022
Z
Figure 112022020870735-pct00023
0.6을 충족하면, 전지는 우수한 사이클 성능(사이클 횟수가 480회 이상) 및 동역학적 성능(리튬이 석출 되지 않거나 또는 리튬 석출이 경미함)을 동시에 겸비할 수 있다. 특히, 0.1
Figure 112022020870735-pct00024
Z
Figure 112022020870735-pct00025
0.5인 경우, 전지의 사이클 성능(사이클 회수가 600회 이상) 및 동역학적 성능(리튬이 석출되지 않음)은 더 우수하다.
비교예 1~12는 Z값이 너무 작으면, 사이클 성능이 매우 낮고 전지 내부 압력이 커지며, Z값이 너무 크면, 심각한 리튬 석출이 발생함을 보여준다.
따라서, 전지의 Z값을 본 출원의 소정 범위내로 제어해야만, 우수한 사이클 성능 및 동역학적 성능을 동시에 겸비할 수 있고, 전지 사용의 안전을 확보할 수 있다.
당업자는 상기 명세서의 개시 및 안내에 따라 상기 실시형태에 대해 적절한 변경 및 수정을 할 수 있다. 따라서, 본 출원은 상기 개시 및 설명된 구체적인 실시형태에 한정되지 않고, 본 출원에 대한 수정 및 변경도 본 출원의 특허청구범위 내에 포함되어 있다. 특히, 충돌이 없는 한, 각 실시예에서 언급된 다양한 기술적 특징은 모두 임의의 방식으로 조합될 수 있다.
표 1: 상이한 규소 산소 함량에 대응하는 상이한 부극의 조성
Figure 112022020870735-pct00026
표 2: 실시예 1∼28 및 비교예 1∼12의 파라미터 측정 결과 및 성능 비교
Figure 112022020870735-pct00027
Figure 112022020870735-pct00028
Figure 112022020870735-pct00029
첨부된 도면은 실제 비율에 따라 그려진 것이 아니다. 여기서, 도면 부호의 설명은 하기와 같다.
1… 전지 팩, 2… 상부 박스 바디, 3… 하부 박스 바디, 4… 전지 모듈, 5… 이차 전지, 51… 케이스, 52… 전극 어셈블리, 53… 커버 플레이트.

Claims (28)

  1. 이차 전지로서, 케이스, 케이스 내에 수용된 코어 및 전해액을 포함하고, 상기 코어는 정극 시트, 부극 시트 및 세퍼레이터를 포함하고, 상기 정극 시트는 정극 집전체 및 정극 집전체의 적어도 일면에 배치되고 정극 활성재료를 포함하는 정극 필름을 포함하고, 상기 부극 시트는 부극 집전체 및 부극 집전체의 적어도 일면에 배치되고 부극 활성재료를 포함하는 부극 필름을 포함하며,
    상기 정극 활성재료는 리튬 니켈 코발트 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함하고,
    상기 부극 활성재료는 규소 기반 재료와 탄소 재료를 포함하고,
    상기 이차 전지는 0.05
    Figure 112022020870735-pct00030
    Z
    Figure 112022020870735-pct00031
    0.6을 충족하고,
    여기서,
    Z={Vt-V0-(Hb-Ha)*S-V1}/CAP이고,
    Vt는 케이스 내부 공간의 부피를 나타내며, 단위는 cm3이고,
    V0는 전지가 0% SOC일 때 코어의 부피를 나타내며, 단위는 cm3이고,
    Ha는 전지가 0% SOC일 때 부극 필름의 두께를 나타내며, 단위는 cm이고,
    Hb는 전지가 100% SOC일 때 부극 필름의 두께를 나타내며, 단위는 cm이고,
    S는 전지에서 부극 필름의 총 면적을 나타내며, 단위는 cm2이고,
    V1은 화성 후의 전지에서 전해액의 부피를 나타내며, 단위는 cm3이고,
    CAP는 전지의 정격 용량을 나타내며, 단위는 Ah인, 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는 0.1
    Figure 112022126561728-pct00046
    Z
    Figure 112022126561728-pct00047
    0.5를 충족하는, 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는 0.15
    Figure 112022126561728-pct00048
    Z
    Figure 112022126561728-pct00049
    0.4를 충족하는, 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는 1<Hb/Ha≤1.5를 충족하는, 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는 1<Hb/Ha≤1.3을 충족하는, 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는 1.5g/Ah≤Mel/CAP≤2.4g/Ah를 충족하고, 여기서, Mel은 화성 후의 전지에서 전해액의 질량을 나타내며, 단위는 g인, 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는 1.7g/Ah≤Mel/CAP≤2.2g/Ah를 충족하고, 여기서, Mel은 화성 후의 전지에서 전해액의 질량을 나타내며, 단위는 g인, 이차 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전해액의 밀도(Del)는 1.0g/cm3≤Del≤1.3g/cm3인, 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전해액의 밀도(Del)는 1.1g/cm3≤Del≤1.25g/cm3인, 이차 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 부극 필름의 도포 중량(CW)은 5mg/cm2≤CW≤15mg/cm2인, 이차 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 부극 필름의 도포 중량(CW)은 6mg/cm2≤CW≤13mg/cm2인, 이차 전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 부극 필름의 압밀도(PD)는 1.4g/cm3≤PD≤1.8g/cm3인, 이차 전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 부극 필름의 압밀도(PD)는 1.5g/cm3≤PD≤1.7g/cm3인, 이차 전지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 규소 기반 재료는 규소 단체, 규소 합금, 규소 산소 화합물, 규소 탄소 화합물, 규소 질소 화합물 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함하는, 이차 전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 규소 기반 재료는 규소 산소 화합물을 포함하는, 이차 전지.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 부극 활성재료 중 상기 규소 기반 재료의 질량비(W)는 W≤40%를 충족하는, 이차 전지.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 부극 활성재료 중 상기 규소 기반 재료의 질량비(W)는 10%≤W≤30%를 충족하는, 이차 전지.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 재료는 흑연, 소프트 카본, 하드 카본 중 한 종류 또는 여러 종류를 포함하는, 이차 전지.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 재료는 흑연을 포함하고, 상기 흑연은, 인공 흑연, 천연 흑연으로부터 선택되는 한 종류 또는 여러 종류인, 이차 전지.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 케이스의 벽 두께(T)는 0.2mm≤T≤1mm를 충족하는, 이차 전지.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 케이스의 벽 두께(T)는 0.4mm≤T≤0.7mm를 충족하는, 이차 전지.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는 반전 부재가 설치된 톱 커버를 더 포함하고, 상기 반전 부재의 압축 강도는 ≥0.35MPa인, 이차 전지.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 정극 활성재료는 일반식이 LiaNibCocMdM'eOfAg또는 표면의 적어도 일부에 피복층이 배치된 LiaNibCocMdM'eOfAg중의 한 종류 또는 여러 종류를 포함하며, 여기서, 0.8
    Figure 112022126561728-pct00050
    a
    Figure 112022126561728-pct00051
    1.2, 0.5≤b<1, 0<c<1, 0<d<1, 0≤e≤0.1, 1≤f≤2, 0≤g≤1이고, M은 Mn, Al로부터 선택되는 한 종류 또는 여러 종류이며, M'는 Zr, Al, Zn, Cu, Cr, Mg, Fe, V, Ti, B로부터 선택되는 한 종류 또는 여러 종류이고, A는 N, F, S, Cl로부터 선택되는 한 종류 또는 여러 종류인, 이차 전지.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 정극 활성재료의 적어도 일부는 단결정 입자인, 이차 전지.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 정극 활성재료는 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 인산철 리튬, 인산 망간 리튬, 인산망간 철 리튬, 코발트산 리튬 및 그의 개질 화합물 중 한 종류 또는 여러 종류를 더 포함하는, 이차 전지.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 이차 전지를 포함하는, 전지 모듈.
  27. 제26항에 따른 전지 모듈을 포함하는, 전지 팩.
  28. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 이차 전지, 제26항에 따른 전지 모듈 또는 제27항에 따른 전지 팩 중 적어도 한 종류를 포함하는, 장치.

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