KR102663587B1 - Bipolar lithium secondary battery - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이폴라 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 양면에 각각 양극 및 음극이 형성된 집전체를 포함하는 바이폴라 유닛을 포함하는 바이폴라 리튬 이차전지에서, 상기 집전체의 가장자리에 부착된 고분자 필름이 서로 다른 극성을 나타내는 전극에 인접한 전해액을 분리하고, 상기 분리된 전해액의 상호 이동을 막아 자가방전과 우회 전류의 발생을 방지할 수 있다.The present invention relates to a bipolar lithium secondary battery, and more specifically, to a bipolar lithium secondary battery including a bipolar unit including a current collector with positive and negative electrodes formed on both sides, respectively, and a polymer film attached to the edge of the current collector. Electrolyte solutions adjacent to electrodes showing different polarities are separated and mutual movement of the separated electrolytes is prevented, thereby preventing self-discharge and generation of bypass current.

Description

바이폴라 리튬 이차전지 {BIPOLAR LITHIUM SECONDARY BATTERY}Bipolar lithium secondary battery {BIPOLAR LITHIUM SECONDARY BATTERY}

본 발명은 집전체의 양면에 극성이 상이한 전극층이 형성된 바이폴라 유닛을 포함하는 바이폴라 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a bipolar lithium secondary battery including a bipolar unit in which electrode layers with different polarities are formed on both sides of a current collector.

이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량 이차전지는 휴대폰, 노트북 또는 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 이차전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.Secondary batteries are batteries that can be charged and discharged, unlike primary batteries that cannot be recharged. Low-capacity secondary batteries are used in small, portable electronic devices such as mobile phones, laptops, or camcorders, and high-capacity secondary batteries are widely used as a power source for driving motors in hybrid vehicles.

최근 들어 비수전해액을 이용한 고에너지 밀도 및 고출력의 대용량 이차전지가 개발되고 있다. 상기 고에너지 밀도 및 고출력의 대용량 이차전지는 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 복수 개의 이차전지를 직렬로 연결하여 구성된다.Recently, high-capacity secondary batteries with high energy density and high output using non-aqueous electrolytes have been developed. The high-capacity secondary battery with high energy density and high output is constructed by connecting a plurality of secondary batteries in series so that it can be used to drive a motor of a device that requires high power, such as an electric vehicle.

이러한 이차전지는 집전체의 양면에 동일한 극성을 갖는 활물질이 도포된 일반적인 모노폴라 전극 또는 집전체의 양면에 서로 다른 극성을 갖는 활물질이 도포된 바이폴라 전극 등을 포함할 수 있다.Such secondary batteries may include general monopolar electrodes in which active materials with the same polarity are applied to both sides of a current collector, or bipolar electrodes in which active materials with different polarities are applied to both sides of a current collector.

일반적인 모노폴라 전극을 적용한 이차전지는 전극들을 연결하는 접속부가 형성된 구조를 포함하나, 이러한 구조는 접속부의 전기 저항에 의하여 출력을 저하시키는 문제를 야기한다. 바이폴라 전극은 이러한 접속부 없이 전극을 적층하여 사용할 수 있는 전극으로서 접속 저항을 최소화할 수 있다.A secondary battery using a general monopolar electrode includes a structure in which a connection part connecting electrodes is formed, but this structure causes a problem of lowering the output due to the electrical resistance of the connection part. A bipolar electrode is an electrode that can be used by stacking electrodes without such connections, and connection resistance can be minimized.

한편, 바이폴라 전극을 포함하는 바이폴라 이차전지는, 적층된 바이폴라 전극 사이에서 전해액이 누액되는 것을 방지하기 위하여 밀봉하는 것이 매우 중요하며, 동시에, 바이폴라 이차전지의 두께를 감소시키는 것도 필요하다. Meanwhile, it is very important to seal a bipolar secondary battery including bipolar electrodes to prevent electrolyte from leaking between the stacked bipolar electrodes, and at the same time, it is necessary to reduce the thickness of the bipolar secondary battery.

일반적으로 전해액의 누액 방지를 위한 밀봉시에는 가스켓을 사용하는데, 가스켓은 두께를 1mm 이하로 제작하기 어려운 문제가 있으며, 가스켓의 두께가 지나치게 크면 바이폴라 전극 사이에 빈 공간이 커져서 부피 대비 출력이 저하되는 문제가 있다.Generally, gaskets are used for sealing to prevent electrolyte leakage, but it is difficult to manufacture gaskets with a thickness of 1 mm or less. If the thickness of the gasket is too large, the empty space between the bipolar electrodes increases, resulting in a decrease in output compared to the volume. there is a problem.

또한, 상기 바이폴라 전극에서 서로 다른 극성을 가지는 전극에 인접한 전해액이 이동하여 혼합될 경우 자가방전과 우회전류가 발생할 수 있어, 이와 같은 문제를 방지할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.In addition, when electrolyte solutions adjacent to electrodes with different polarities move and mix in the bipolar electrode, self-discharge and lateral current may occur, and there is a need to develop technology that can prevent such problems.

일본공개특허 제2005-190713호Japanese Patent Publication No. 2005-190713

이에, 본 발명자들은 하나의 집전체의 양면에 양극과 음극이 각각 적층된 바이폴라 유닛을 포함하는 전지에서, 상기 집전체의 가장자리에 고분자 필름을 부착시킬 경우, 상기 고분자 필름로 인하여 상기 양극과 음극에 각각 인접한 전해액이 이동하여 혼합되는 것을 막을 수 있어, 자가방전과 우회전류 발생을 방지할 수 있다는 것을 확인하였다.Accordingly, the present inventors found that in a battery including a bipolar unit in which an anode and a cathode are stacked on both sides of one current collector, when a polymer film is attached to the edge of the current collector, the polymer film causes the anode and the cathode to It was confirmed that it was possible to prevent adjacent electrolytes from moving and mixing, thus preventing self-discharge and generation of right current.

따라서, 본 발명의 목적은 자가방전과 우회전류 발생이 방지된 바이폴라 리튬 이차전지를 제공하는데 있다.Therefore, the purpose of the present invention is to provide a bipolar lithium secondary battery that prevents self-discharge and generation of right current.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은,In order to achieve the above object, the present invention,

집전체;house collector;

상기 집전체의 가장자리를 둘러싼 형태로 부착된 고분자 필름;A polymer film attached to surround the edge of the current collector;

상기 집전체의 양면에 각각 형성된 양극과 음극을 포함하는 전극층;an electrode layer including an anode and a cathode respectively formed on both sides of the current collector;

상기 양극과 음극 상에 각각 형성된 제1 및 제2 분리막; 및first and second separators formed on the anode and cathode, respectively; and

상기 제1 및 제2 분리막 사이에 포함된 전해액을 포함하되,Includes an electrolyte solution contained between the first and second separators,

상기 제1 및 제2 분리막 사이에 포함된 전해액은 상기 고분자 필름에 의해 분리된 것인, 바이폴라 리튬 이차전지를 제공한다.A bipolar lithium secondary battery is provided in which the electrolyte solution contained between the first and second separators is separated by the polymer film.

본 발명에 따르면, 하나의 집전체의 양면에 각각 양극과 음극이 형성된 바이폴라 유닛을 포함하는 리튬 이차전지에서, 상기 양극 및 음극에 각각 인접한 전해액은 상기 집전체의 가장자리에 부착된 고분자 필름에 의해 분리되어, 분리된 전해액 간의 이동 및 혼합을 막을 수 있으므로, 자가방전과 우회전류의 발생을 방지할 수 있다. According to the present invention, in a lithium secondary battery including a bipolar unit in which a positive electrode and a negative electrode are formed on both sides of one current collector, the electrolyte solution adjacent to the positive electrode and the negative electrode, respectively, is separated by a polymer film attached to the edge of the current collector. This prevents movement and mixing between separated electrolytes, thereby preventing self-discharge and generation of right current.

또한, 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 바이폴라 유닛에 포함된 집전체를 통하여, 양극과 음극을 포함하는 단위셀이 전지 내에서 직렬로 연결되어 있어, 부자재의 무게 및 부피를 줄일 수 있으며, 이로 인하여 더 높은 에너지 밀도를 확보할 수 있다.In addition, in the lithium secondary battery according to the present invention, unit cells including a positive electrode and a negative electrode are connected in series within the battery through a current collector included in the bipolar unit, thereby reducing the weight and volume of auxiliary materials. Higher energy density can be secured.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 바이폴라 리튬 이차전지의 단면을 나타낸 모식도이다.
도 2는 비교예 1에 따른 리튬-황 이차전지의 단면을 나타낸 모식도이다.
도 3은 비교예 2에 따른 바이폴라 리튬-황 이차전지의 단면을 나타낸 모식도이다.
도 4는 비교예 1 및 비교예 2에서 각각 제조된 리튬-황 이차전지에 대한 방전 용량을 측정한 그래프이다.
도 5는 비교예 1 및 실시예 1에서 각각 제조된 리튬-황 이차전지에 대한 방전 용량을 측정한 그래프이다.
도 6은 실시예 1의 바이폴라 리튬-황 이차전지에서 집전체의 양면에 각각 형성된 음극 및 양극의 횡단면을 나타낸 사진이다.
1 is a schematic diagram showing a cross section of a bipolar lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing a cross section of a lithium-sulfur secondary battery according to Comparative Example 1.
Figure 3 is a schematic diagram showing a cross section of a bipolar lithium-sulfur secondary battery according to Comparative Example 2.
Figure 4 is a graph measuring the discharge capacity of the lithium-sulfur secondary batteries manufactured in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively.
Figure 5 is a graph measuring the discharge capacity of the lithium-sulfur secondary batteries manufactured in Comparative Example 1 and Example 1, respectively.
Figure 6 is a photograph showing the cross-section of the negative electrode and positive electrode respectively formed on both sides of the current collector in the bipolar lithium-sulfur secondary battery of Example 1.

이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail to facilitate understanding of the present invention.

본 명세서에서 사용된 용어 "바이폴라 유닛(bipolar unit)"은 하나의 집전체의 양면에 서로 다른 극성을 갖는 활물질을 포함하는 전극층을 포함하는 것으로, 예를 들어, 상기 바이폴라 유닛은 집전체 및 상기 양면에 각각 형성된 양극과 음극을 포함하는 것일 수 있다.The term "bipolar unit" used herein includes an electrode layer containing active materials having different polarities on both sides of one current collector. For example, the bipolar unit includes a current collector and both sides. It may include an anode and a cathode formed respectively.

본 명세서에서 사용된 용어 “양극” 및 “음극”은 각각 양극 활물질층 및 음극 활물질층을 의미하는 것일 수 있다. 일반적으로, 양극은 양극 집전체와 양극 활물질층을 포함하고, 음극은 음극 집전체와 음극 활물질층을 포함하나, 본 발명에 따른 바이폴라 유닛에 포함된 “양극” 및 “음극”은 집전체와는 별도로 형성된 양극 활물질층 및 음극 활물질층을 의미하는 것일 수 있다. The terms “anode” and “cathode” used in this specification may refer to a positive electrode active material layer and a negative electrode active material layer, respectively. Generally, the positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer, and the negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer. However, the “positive electrode” and “negative electrode” included in the bipolar unit according to the present invention are different from the current collector. This may mean a separately formed positive electrode active material layer and negative electrode active material layer.

본 명세서에서 사용된 용어 "단위셀(unit cell)"은 양극, 음극 및 이들 사이에 개재된 분리막을 포함하는 구조체를 의미한다.The term “unit cell” used herein refers to a structure including an anode, a cathode, and a separator interposed between them.

본 명세서에서 사용된 용어 "바이폴라 리튬 이차전지"는 상기와 같이 규정된 "바이폴라 유닛"을 적어도 하나 포함하는 리튬 이차전지를 의미한다.The term “bipolar lithium secondary battery” used herein refers to a lithium secondary battery including at least one “bipolar unit” as defined above.

바이폴라 리튬 이차전지Bipolar lithium secondary battery

본 발명은 하나의 집전체의 양면에 서로 다른 극성을 갖는 활물질을 포함하는 전극층이 형성된 바이폴라 유닛을 포함하는 바이폴라 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a bipolar lithium secondary battery including a bipolar unit in which electrode layers containing active materials having different polarities are formed on both sides of one current collector.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 바이폴라 리튬 이차전지의 단면을 나타낸 모식도이다. 상기 단면은 종단면일 수 있다.1 is a schematic diagram showing a cross section of a bipolar lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention. The cross section may be a longitudinal cross section.

도 1을 참조하면, 바이폴라 리튬 이차전지(1)는 집전체(110)와 집전체(110)의 가장자리에 형성된 고분자 필름(120)을 포함하고, 집전체(110)의 양면에는 상이한 극성의 전극층, 즉, 양극(320)과 음극(210)이 각각 적층되어 형성되어 있을 수 있다. 이와 같이 하나의 집전체(110)의 양면에 상이한 극성의 전극층인 양극(320)과 음극(210)이 형성된 구조체를 바이폴라 유닛(B/U)이라 할 수 있다. 이때, 집전체(110)는 전류 통로(current pathway)라고도 할 수 있다.Referring to FIG. 1, the bipolar lithium secondary battery 1 includes a current collector 110 and a polymer film 120 formed on the edge of the current collector 110, and electrode layers of different polarities are placed on both sides of the current collector 110. That is, the anode 320 and the cathode 210 may be formed by stacking each other. In this way, a structure in which the anode 320 and the cathode 210, which are electrode layers of different polarities, are formed on both sides of one current collector 110 can be referred to as a bipolar unit (B/U). At this time, the current collector 110 may also be referred to as a current pathway.

또한, 집전체(110)의 일면에 형성된 음극(210) 상에는 제2 분리막(230), 양극(220) 및 양극 집전체(221)가 순차적으로 적층되어 있을 수 있고, 이를 제2 단위셀(200)이라 한다.In addition, a second separator 230, a positive electrode 220, and a positive electrode current collector 221 may be sequentially stacked on the negative electrode 210 formed on one side of the current collector 110, which is formed as a second unit cell 200. ).

또한, 집전체(110)의 다른 일면에 형성된 양극(320) 상에는 제1 분리막(330), 음극(310) 및 음극 집전체(311)가 순차적으로 적층되어 있을 수 있고, 이를 제1 단위셀(300)이라 한다. In addition, the first separator 330, the negative electrode 310, and the negative electrode current collector 311 may be sequentially stacked on the positive electrode 320 formed on the other side of the current collector 110, which is formed into a first unit cell ( 300).

바이폴라 리튬 이차전지(1)는 제2 단위셀(200)과 제1 단위셀(300)이 전지 내부에서 직렬로 연결된 형태일 수 있으며, 구체적으로는 집전체(110)를 통해 직렬로 연결된 형태일 수 있다.The bipolar lithium secondary battery 1 may have a second unit cell 200 and a first unit cell 300 connected in series inside the battery, and specifically may be connected in series through the current collector 110. You can.

또한, 바이폴라 리튬 이차전지(1)에는 전해액(400)이 주입되어 포함되어 있을 수 있다. Additionally, the bipolar lithium secondary battery 1 may contain an electrolyte solution 400 injected therein.

또한, 분리막(330, 230)은 그 횡단면의 크기(면적)가, 집전체(110)와 고분자 필름(120)의 횡단면의 크기의 합과 동일할 수 있고, 양극(220, 320)과 음극(210, 310)의 횡단면의 크기보다는 클 수 있다. 바이폴라 리튬 이차전지(1)에 포함된 각 구성요소들의 횡단면의 크기가 이와 같이 규정될 경우, 분리막(330, 230) 사이에 포함된 전해액(400)이 고분자 필름(120)에 의해 분리될 수 있다.In addition, the cross-sectional size (area) of the separators 330 and 230 may be equal to the sum of the cross-sectional sizes of the current collector 110 and the polymer film 120, and the positive electrodes 220 and 320 and the negative electrode ( 210, 310) may be larger than the cross-sectional size. When the cross-sectional size of each component included in the bipolar lithium secondary battery 1 is defined as such, the electrolyte solution 400 contained between the separators 330 and 230 can be separated by the polymer film 120. .

이에, 집전체(110)의 가장자리를 둘러싼 형태로 부착된 고분자 필름(120)은 분리막(230, 330) 사이에 포함된 전해액을 분리하여, 제1 전해액(420)과 제2 전해액(410)로 구분할 수 있다. 구체적으로, 제1 전해액(420)은 고분자 필름(120), 양극(320) 및 제1 분리막(330)으로 둘러싸인 형태로 포함될 수 있고, 제2 전해액(410)은 고분자 필름(120), 음극(210) 및 제2 분리막(230)으로 둘러싸인 형태로 포함될 수 있다. 이때, 제1 전해액(420)은 양극(320)에 접해있는 전해액을 의미하는 것으로 양극측 전해액이라고도 할 수 있으며, 제2 전해액(410)은 음극(210)에 접해있는 전해액을 의미하는 것으로 음극측 전해액이라고도 할 수 있다.Accordingly, the polymer film 120 attached in a form surrounding the edge of the current collector 110 separates the electrolyte solution contained between the separators 230 and 330 into the first electrolyte solution 420 and the second electrolyte solution 410. can be distinguished. Specifically, the first electrolyte 420 may be surrounded by a polymer film 120, an anode 320, and a first separator 330, and the second electrolyte 410 may be surrounded by a polymer film 120 and a cathode ( 210) and a second separator 230. At this time, the first electrolyte 420 refers to the electrolyte in contact with the anode 320 and can also be called the anode-side electrolyte, and the second electrolyte 410 refers to the electrolyte in contact with the cathode 210 and can be referred to as the anode-side electrolyte. It can also be called electrolyte.

상기 제1 전해액(420) 및 제2 전해액(410)은 상기 고분자 필름(120)에 의해 분리되어 상호 이동이 방지되어, 이들 전해액이 혼합될 경우 발생할 수 있는 자가 방전 및 우회 전류를 방지할 수 있다. The first electrolyte 420 and the second electrolyte 410 are separated by the polymer film 120 to prevent mutual movement, thereby preventing self-discharge and bypass current that may occur when these electrolytes are mixed. .

본 발명에 있어서, 상기 고분자 필름은 상기 바이폴라 리튬 이차전지 내에서 상기 집전체의 양면에 형성된 양극과 음극에 인접한 전해액의 이동 및 혼합을 방지하는 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 상기 음극이 리튬 금속을 포함하는 리튬 음극일 경우, 상기 음극으로부터 전해액으로 녹아 나온 리튬 이온(Li+)이 상기 전해액을 통해 상기 음극에서 양극으로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 양극이 황을 포함하는 양극일 경우 상기 양극으로부터 전해액으로 녹아 나온 폴리 설파이드가 상기 전해액을 통해 상기 양극에서 음극으로 이동하는 것을 방지할 수 있다.In the present invention, the polymer film may serve to prevent movement and mixing of electrolyte adjacent to the positive and negative electrodes formed on both sides of the current collector in the bipolar lithium secondary battery. Specifically, when the negative electrode is a lithium negative electrode containing lithium metal, lithium ions (Li + ) dissolved from the negative electrode into the electrolyte solution can be prevented from moving from the negative electrode to the positive electrode through the electrolyte solution. In addition, when the anode is an anode containing sulfur, polysulfide dissolved from the anode into the electrolyte solution can be prevented from moving from the anode to the cathode through the electrolyte solution.

이와 같이, 상기 고분자 필름은 전해액을 양극측 전해액과 음극측 전해액을 물리적으로 분리하여, 전해액을 통한 리튬 이온의 이동을 방지하므로, 전해액에 녹지 않으면서, 전해액을 투과시키지 않을 수 있다면 특별히 제한되지 않는다.In this way, the polymer film physically separates the electrolyte on the positive electrode and the electrolyte on the negative electrode, preventing the movement of lithium ions through the electrolyte. Therefore, it is not particularly limited as long as it is insoluble in the electrolyte and does not allow the electrolyte to pass through. .

예를 들어, 상기 고분자 필름은 비다공질막을 포함하는 단층 필름이거나, 또는 비다공질막과 다공질막이 적층된 적층 필름일 수 있다.For example, the polymer film may be a single-layer film including a non-porous membrane, or a laminated film in which a non-porous membrane and a porous membrane are stacked.

상기 비다공질막은 기공도가 30% 이하, 20% 이하, 또는 10% 이하일 수 있다. 상기 비다공질막의 기공도가 30% 초과이면, 리튬 이온의 이동이 원활하여 우회 전류(bypass current)가 발생할 수 있다. 또한, 상기 양극에 황이 포함되어 있는 리튬-황 이차전지의 경우, 양극으로부터 리튬 폴리 설파이드(LiPS)가 용출된 후 음극으로 흘러 들어가 바이폴라 유닛에 포함된 양극과 음극 간의 직접적인 반응을 유발할 수 있다. 또한, 상기 비다공질막의 기공도는 바람직하게는 0% 초과일 수 있다.The non-porous membrane may have a porosity of 30% or less, 20% or less, or 10% or less. If the porosity of the non-porous membrane is greater than 30%, lithium ions can move smoothly and bypass current may occur. Additionally, in the case of a lithium-sulfur secondary battery in which sulfur is contained in the positive electrode, lithium poly sulfide (LiPS) may be eluted from the positive electrode and then flow into the negative electrode, causing a direct reaction between the positive electrode and the negative electrode included in the bipolar unit. Additionally, the porosity of the non-porous membrane may preferably be greater than 0%.

상기 비다공질막의 기공도를 다른 방식으로 표현하면, 통기도의 척도가 되는 걸리수(Gurley Number)로 규정할 수 있다. 예를 들어, 상기 비다공질막의 Gurley Number는 1,000 [s/100cc] 이상, 2,000 [s/100cc] 이상, 3,000 [s/100cc] 이상, 4,000 [s/100cc] 이상, 5,000 [s/100cc] 이상, 6,000 [s/100cc] 이상, 7,000 [s/100cc] 이상, 8,000 [s/100cc] 이상, 9,000 [s/100cc] 이상, 또는 10,000 [s/100cc] 이상일 수 있으며, 상기 Gurley Number의 상한은 15,000 [s/100cc] 이하일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 Gurley Number는 그 수치가 크면 클수록 물질이 투과하기 어려운 것을 의미한다. 상기 Gurley Number가 1,000 [s/100cc] 미만이면, 상기 비다공질막에 의해 분리된 전해액끼리의 상호 이동이 가능하여 우회 전류와 자가 방전 등이 발생할 수 있다.Expressing the porosity of the non-porous membrane in another way, it can be defined as Gurley Number, which is a measure of air permeability. For example, the Gurley Number of the non-porous membrane is 1,000 [s/100cc] or more, 2,000 [s/100cc] or more, 3,000 [s/100cc] or more, 4,000 [s/100cc] or more, 5,000 [s/100cc] or more. , 6,000 [s/100cc] or more, 7,000 [s/100cc] or more, 8,000 [s/100cc] or more, 9,000 [s/100cc] or more, or 10,000 [s/100cc] or more, and the upper limit of the Gurley Number is It may be less than 15,000 [s/100cc], but is not limited thereto. The Gurley Number means that the larger the number, the more difficult it is for the substance to pass through. If the Gurley Number is less than 1,000 [s/100cc], mutual movement between electrolytes separated by the non-porous membrane is possible, and bypass current and self-discharge may occur.

또한, 상기 다공질막은 리튬 이차전지의 분리막으로 일반적으로 사용되는 다공질막이라면 특별히 제한되지 않는다.Additionally, the porous membrane is not particularly limited as long as it is a porous membrane commonly used as a separator for lithium secondary batteries.

예를 들어, 상기 다공질막은 기공도가 30% 초과, 70% 이하일 수 있으며, 구체적으로 30% 초과, 35% 이상, 40% 이상 또는 45% 이상일 수 있고, 55% 이하, 60% 이하, 65% 이하 또는 70% 이하일 수 있다. For example, the porous membrane may have a porosity of more than 30% or less than 70%, specifically, more than 30%, more than 35%, more than 40%, or more than 45%, and less than 55%, less than 60%, or less than 65%. It may be less than or equal to 70%.

또한, 상기 비다공질막 및 다공질막은 상기와 같은 규정된 기공도 및/또는 걸리수에 의해 구분될 수 있다. 상기 비다공질막 및 다공질막의 재질은 동일 또는 상이할 수 있으며, 폴리올레핀, 셀룰로오스 및 불소 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 폴리올레핀은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐, 폴리헥센 및 폴리옥텐으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the non-porous membrane and the porous membrane can be distinguished by the prescribed porosity and/or Gurley number as described above. The material of the non-porous membrane and the porous membrane may be the same or different, and may include one or more selected from the group consisting of polyolefin, cellulose, and fluororesin. The polyolefin may include one or more selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polybutylene, polypentene, polyhexene, and polyoctene.

또한, 상기 고분자 필름은 모든 종류의 바이폴라 리튬 이차전지에 적용할 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자 필름은 전해액에 녹아 나온 리튬 이온의 이동을 물리적으로 방지하는 역할을 하므로, 리튬 이온이 양극 활물질에 삽입되는 형태의 전지(Lithiation 또는 Delithiation, Li+ Insertion 또는 Intercalation)에 비해, 리튬 이온이 전해액으로 녹아나오면 반응이 진행되는 Conversion Type의 이차전지에서 더욱 효율적으로 자가방전 및 우회 전류의 발생을 방지할 수도 있다. 이와 같은 Conversion Type의 이차전지로는 리튬-황 이차전지를 예로 들 수 있다.Additionally, the polymer film can be applied to all types of bipolar lithium secondary batteries. Specifically, the polymer film serves to physically prevent the movement of lithium ions dissolved in the electrolyte solution, so compared to batteries in which lithium ions are inserted into the positive electrode active material (Lithiation or Delithiation, Li + Insertion or Intercalation), lithium Self-discharge and bypass current can be prevented more efficiently in conversion type secondary batteries, where a reaction occurs when ions are dissolved into the electrolyte. An example of this conversion type secondary battery is a lithium-sulfur secondary battery.

본 발명에 있어서, 상기 양극은 양극 활물질; 바인더; 및 도전재;를 포함하는 양극 활물질층을 포함할 수 있다.In the present invention, the positive electrode includes a positive electrode active material; bookbinder; and a conductive material; and a positive electrode active material layer containing a conductive material.

상기 양극 활물질은 황을 포함할 수 있으며, 구체적으로, 상기 황은 황 원소(elemental sulfur, S8), 황 계열 화합물 및 황-탄소 복합체로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다. 상기 황 계열 화합물은 구체적으로, Li2Sn(n≥1), 유기황 화합물 또는 탄소-황 폴리머((C2Sx)n: x=2.5∼50, n≥2) 등일 수 있다.The positive electrode active material may include sulfur. Specifically, the sulfur may be selected from the group consisting of elemental sulfur (S8), sulfur-based compounds, and sulfur-carbon complexes. Specifically, the sulfur-based compound may be Li 2 Sn (n≥1), an organic sulfur compound, or a carbon-sulfur polymer ((C 2 S x ) n : x=2.5∼50, n≥2).

일반적으로, 양극에 황을 포함하는 전지는 리튬-황 이차전지일 수 있으며, 따라서, 본 발명에 따른 바이폴라 리튬 이차전지는 바이폴라 리튬-황 이차전지일 수 있다.In general, a battery containing sulfur in the positive electrode may be a lithium-sulfur secondary battery, and therefore, the bipolar lithium secondary battery according to the present invention may be a bipolar lithium-sulfur secondary battery.

상기 양극 활물질은 상기 양극 활물질층 전체 중량을 기준으로 60 내지 95 중량%로 포함될 수 있으며, 구체적으로 상기 양극 활물질의 함량은 60 중량% 이상, 65 중량% 이상 또는 70 중량% 이상일 수 있고, 85 중량% 이하, 90 중량% 이하 또는 95 중량% 이하일 수 있다. 상기 양극 활물질의 함량이 상기 범위 미만이면 전지 성능이 저하될 수 있고, 상기 범위 초과이면 양극 활물질 이외의 도전재 또는 바인더의 함량이 상대적으로 감소하여 도전성 또는 내구성과 같은 특성이 저하될 수 있다. The positive electrode active material may be included in an amount of 60 to 95% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer. Specifically, the content of the positive electrode active material may be 60% by weight or more, 65% by weight or more, or 70% by weight or more, and 85% by weight. % or less, 90% by weight or less, or 95% by weight or less. If the content of the positive electrode active material is less than the above range, battery performance may deteriorate, and if it exceeds the above range, the content of the conductive material or binder other than the positive electrode active material may be relatively reduced, thereby reducing characteristics such as conductivity or durability.

또한, 상기 바인더는 SBR (Styrene-Butadiene Rubber)/CMC (Carboxymethyl Cellulose), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 알킬레이티드 폴리에틸렌옥사이드, 가교결합된 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐에테르, 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌과 폴리비닐리덴플루오라이드의 코폴리머, 폴리(에틸아크릴레이트), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리스티렌, 폴리아크릴산, 이들의 유도체, 블랜드, 코폴리머 등이 사용될 수 있다. In addition, the binder is SBR (Styrene-Butadiene Rubber)/CMC (Carboxymethyl Cellulose), poly(vinyl acetate), polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, alkylated polyethylene oxide, cross-linked polyethylene oxide, Polyvinyl ether, poly(methyl methacrylate), polyvinylidene fluoride, copolymer of polyhexafluoropropylene and polyvinylidene fluoride, poly(ethylacrylate), polytetrafluoroethylene, polyvinyl chloride, Polyacrylonitrile, polyvinylpyridine, polystyrene, polyacrylic acid, their derivatives, blends, copolymers, etc. can be used.

또한, 상기 바인더의 함량은 상기 양극 활물질층 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 20 중량%일 수 있으며, 구체적으로 1 중량% 이상, 3 중량% 이상 또는 5 중량% 이상일 수 있고, 15 중량% 이하, 18 중량% 이하 또는 20 중량% 이하일 수 있다. 상기 범위 미만이면 양극 활물질간 또는 양극 활물질과 집전체간 결착력이 크게 개선되고, 용량 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 폴리 설파이드와 바인더로 사용되는 고분자 사슬의 특정 작용기 간 상호작용이 약해져 폴리 설파이드가 용출될 수 있다. 상기 범위 초과이면 전지 용량이 저하될 수 있다.In addition, the content of the binder may be 1% by weight to 20% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer, and specifically may be 1% by weight or more, 3% by weight or more, or 5% by weight or more, and 15% by weight or less. , may be 18% by weight or less or 20% by weight or less. If it is below the above range, the binding force between the positive electrode active materials or between the positive active material and the current collector may be greatly improved, the problem of deterioration in capacity characteristics may occur, and the interaction between the polysulfide and the specific functional group of the polymer chain used as a binder may be weakened, resulting in polysulfide may be eluted. If it exceeds the above range, battery capacity may decrease.

또한, 상기 도전재는 특별히 제한하지 않으나, 예컨대 천연흑연이나 인조흑연 등의 흑연; 카본블랙(super-p), 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 채널블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙, 덴카 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등일 수 있다. 상기 도전재는 통상적으로 상기 양극 활물질층 전체 중량을 기준으로 0.05 중량% 내지 10 중량%로 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 도전재의 함량은 0.05 중량% 이상, 1 중량% 이상, 3 중량% 이상 또는 5 중량% 이상일 수 있고, 8 중량% 이하, 9 중량% 이하 또는 10 중량% 이하일 수 있다.In addition, the conductive material is not particularly limited, but includes, for example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as carbon black (super-p), acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, and Denka black; Conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; It may be a conductive material such as polyphenylene derivative. The conductive material may typically be included in an amount of 0.05% to 10% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer. Specifically, the content of the conductive material may be 0.05% by weight or more, 1% by weight or more, 3% by weight or more, or 5% by weight or more, and may be 8% by weight or less, 9% by weight or less, or 10% by weight or less.

또한, 상기 양극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 이때, 상기 양극 집전체는 양극 활물질과의 접착력을 높일 수도 있도록, 표면에 미세한 요철이 형성된 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태를 사용할 수 있다.In addition, the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery, for example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, fired carbon, or on the surface of aluminum or stainless steel. Surface treatment with carbon, nickel, titanium, silver, etc. can be used. At this time, the positive electrode current collector can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, and non-woven fabrics with fine irregularities formed on the surface to increase adhesion with the positive electrode active material.

본 발명에 있어서, 상기 음극은 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함할 수 있다.In the present invention, the negative electrode may include lithium metal or lithium alloy.

또는 상기 음극은 음극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함할 수 있다. 상기 음극 활물질로는 리튬 이온(Li+)을 가역적으로 흡장(Intercalation) 또는 방출(Deintercalation)할 수 있는 물질, 리튬 이온과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 사용할 수 있다. 상기 리튬 이온(Li+)을 가역적으로 흡장 또는 방출할 수 있는 물질은 예컨대 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 리튬 이온(Li+)과 반응하여 가역적으로 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질은 예를 들어, 산화주석, 티타늄나이트레이트 또는 실리콘일 수 있다. 상기 리튬 합금은 예를 들어, 리튬(Li)과 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 알루미늄(Al) 및 주석(Sn)으로 이루어지는 군에서 선택되는 금속의 합금일 수 있다.Alternatively, the negative electrode may include a negative electrode active material, a binder, and a conductive material. The negative electrode active material includes a material that can reversibly intercalate or deintercalate lithium ions (Li + ), a material that can reversibly form a lithium-containing compound by reacting with lithium ions, lithium metal, or a lithium alloy. can be used. The material that can reversibly occlude or release lithium ions (Li + ) may be, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof. The material that can react with the lithium ion (Li + ) to reversibly form a lithium-containing compound may be, for example, tin oxide, titanium nitrate, or silicon. The lithium alloy includes, for example, lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), francium (Fr), beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium ( It may be an alloy of a metal selected from the group consisting of Ca), strontium (Sr), barium (Ba), radium (Ra), aluminum (Al), and tin (Sn).

또한, 상기 바인더와 도전재의 구성은 상술한 양극에서 사용된 물질이 사용될 수 있다. Additionally, the binder and the conductive material may be composed of materials used in the above-mentioned positive electrode.

또한, 상기 음극 집전체는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다.In addition, the negative electrode current collector may be copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc.

본 발명에서 상기 분리막은 전극을 물리적으로 분리하는 기능을 갖는 물리적인 분리막으로서, 통상의 분리막으로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하며, 특히 전해액의 이온 이동에 대하여 저 저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다.In the present invention, the separator is a physical separator that has the function of physically separating electrodes, and can be used without particular restrictions as long as it is used as a normal separator. In particular, it has low resistance to ion movement in the electrolyte solution and has excellent electrolyte moisturizing ability. desirable.

또한, 상기 분리막은 양극과 음극을 서로 분리 또는 절연시키면서 양극과 음극 사이에 리튬 이온의 수송을 가능하게 한다. 이러한 분리막은 기공도 30~50%의 다공성이고, 비전도성 또는 절연성인 물질로 이루어질 수 있다. Additionally, the separator separates or insulates the positive and negative electrodes from each other and enables the transport of lithium ions between the positive and negative electrodes. This separator is porous with a porosity of 30 to 50% and may be made of a non-conductive or insulating material.

구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 사용할 수 있고, 고융점의 유리 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다. 이 중 바람직하기로 다공성 고분자 필름을 사용한다.Specifically, porous polymer films, such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer, can be used. and non-woven fabrics made of high melting point glass fibers, etc. can be used. Among these, a porous polymer film is preferably used.

만일 버퍼층 및 분리막으로 모두 고분자 필름을 사용하게 되면, 전해액 함침량 및 이온 전도 특성이 감소하고, 과전압 감소 및 용량 특성 개선 효과가 미미하게 된다. 반대로, 모두 부직포 소재를 사용할 경우는 기계적 강성이 확보되지 못하여 전지 단락의 문제가 발생한다. 그러나, 필름형의 분리막과 고분자 부직포 버퍼층을 함께 사용하면, 버퍼층의 채용으로 인한 전지 성능 개선 효과와 함께 기계적 강도 또한 확보할 수 있다.If a polymer film is used for both the buffer layer and the separator, the electrolyte impregnation amount and ion conduction characteristics are reduced, and the effects of reducing overvoltage and improving capacity characteristics are minimal. Conversely, when all non-woven materials are used, mechanical rigidity cannot be secured, resulting in the problem of battery short circuit. However, if a film-type separator and a polymer non-woven buffer layer are used together, mechanical strength can be secured along with improved battery performance due to the adoption of the buffer layer.

본 발명의 바람직한 일 구체예에 따르면 에틸렌 단독중합체(폴리에틸렌) 고분자 필름을 분리막으로, 폴리이미드 부직포를 버퍼층으로 사용한다. 이때, 상기 폴리에틸렌 고분자 필름은 두께가 10 내지 25 ㎛, 기공도가 40 내지 50%인 것이 바람직하다. According to a preferred embodiment of the present invention, an ethylene homopolymer (polyethylene) polymer film is used as a separator and a polyimide nonwoven fabric is used as a buffer layer. At this time, the polyethylene polymer film preferably has a thickness of 10 to 25 ㎛ and a porosity of 40 to 50%.

본 발명에 있어서, 상기 전해액은 비수 전해액일 수 있으며, 상기 비수 전해액에 포함되는 전해질 염은 리튬염이다. 상기 리튬염은 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들 것 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 리튬염은 LiFSI, LiPF6, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiPF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬 및 4-페닐 붕산 리튬으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.In the present invention, the electrolyte solution may be a non-aqueous electrolyte solution, and the electrolyte salt contained in the non-aqueous electrolyte solution is a lithium salt. The lithium salt may be used without limitation to those commonly used in electrolytes for lithium secondary batteries. For example, the lithium salt is LiFSI, LiPF 6 , 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 , LiPF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, lithium chloroborane, and lithium 4-phenyl borate.

전술한 비수 전해액에 포함되는 유기용매로는 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들을 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들면 에테르, 에스테르, 아미드, 선형 카보네이트, 환형 카보네이트 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 그 중에서 대표적으로는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 또는 이들의 슬러리인 카보네이트 화합물을 포함할 수 있다.Organic solvents included in the above-mentioned non-aqueous electrolyte solution can be used without limitation those commonly used in electrolyte solutions for lithium secondary batteries, for example, ether, ester, amide, linear carbonate, cyclic carbonate, etc., individually or in combination of two or more types. Can be used by mixing. Among them, representative examples may include carbonate compounds that are cyclic carbonates, linear carbonates, or slurries thereof.

상기 환형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 및 이들의 할로겐화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리가 있다. 이들의 할로겐화물로는 예를 들면, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.Specific examples of the cyclic carbonate compound include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, There is a slurry selected from the group consisting of 2,3-pentylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, and halogenates thereof, or two or more types thereof. Examples of these halides include, but are not limited to, fluoroethylene carbonate (FEC).

또한, 상기 선형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리 등이 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 상기 카보네이트계 유기용매 중 환형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 보다 더 잘 해리시킬 수 있으며, 이러한 환형 카보네이트에 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 보다 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있다.In addition, specific examples of the linear carbonate compound include any one selected from the group consisting of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethylmethyl carbonate (EMC), methylpropyl carbonate, and ethylpropyl carbonate. Among these, two or more types of slurries may be typically used, but are not limited thereto. In particular, among the carbonate-based organic solvents, ethylene carbonate and propylene carbonate, which are cyclic carbonates, are high viscosity organic solvents and have a high dielectric constant, so they can better dissociate lithium salts in the electrolyte. These cyclic carbonates include dimethyl carbonate and diethyl carbonate. By mixing low-viscosity, low-dielectric constant linear carbonate in an appropriate ratio, an electrolyte solution with higher electrical conductivity can be made.

또한, 상기 유기 용매 중 에테르로는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르 및 에틸프로필 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, as the ether in the organic solvent, any one selected from the group consisting of dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methyl ethyl ether, methyl propyl ether, and ethyl propyl ether, or a slurry of two or more of these may be used. , but is not limited to this.

또한, 상기 유기 용매 중 에스테르로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 슬러리를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, esters in the organic solvent include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-caprolactone, Any one or two or more slurries selected from the group consisting of σ-valerolactone and ε-caprolactone may be used, but the slurry is not limited thereto.

상기 비수 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전기화학소자의 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전기화학소자 조립 전 또는 전기화학소자 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.Injection of the non-aqueous electrolyte may be performed at an appropriate stage during the manufacturing process of the electrochemical device, depending on the manufacturing process and required physical properties of the final product. In other words, it can be applied before electrochemical device assembly or at the final stage of electrochemical device assembly.

본 발명에 따른 리튬 이차전지는, 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 분리막와 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 공정이 가능하다.The lithium secondary battery according to the present invention is capable of lamination (stack) and folding processes of separators and electrodes in addition to the general winding process.

그리고, 상기 전지케이스의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 원통형, 적층형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등 다양한 형상으로 할 수 있다. 이들 전지의 구조와 제조 방법은 이 분야에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.Additionally, the shape of the battery case is not particularly limited, and may be of various shapes such as cylindrical, stacked, prismatic, pouch-shaped, or coin-shaped. The structures and manufacturing methods of these batteries are widely known in the field, so detailed descriptions are omitted.

또한, 상기 리튬 이차전지는 사용하는 양극/음극 재질에 따라 리튬-황 전지, 리튬-공기 전지, 리튬-산화물 전지, 리튬 전고체 전지 등 다양한 전지로 분류가 가능하다.In addition, the lithium secondary battery can be classified into various batteries, such as lithium-sulfur battery, lithium-air battery, lithium-oxide battery, and lithium all-solid-state battery, depending on the anode/cathode material used.

본 발명은 또한, 상기 리튬 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공한다.The present invention also provides a battery module including the lithium secondary battery as a unit cell.

상기 전지모듈은 고온 안정성, 긴 사이클 특성 및 높은 용량 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다.The battery module can be used as a power source for medium to large-sized devices that require high temperature stability, long cycle characteristics, and high capacity characteristics.

상기 중대형 디바이스의 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(electric vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the medium-to-large devices include power tools that are powered by an omni-electric motor; Electric vehicles, including electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), plug-in hybrid electric vehicles (PHEV), etc.; Electric two-wheeled vehicles, including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (E-scooters); electric golf cart; Examples include, but are not limited to, power storage systems.

이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Preferred examples are presented below to aid understanding of the present invention. However, the following examples are merely illustrative of the present invention, and it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope and spirit of the present invention. It is natural that changes and modifications fall within the scope of the attached patent claims.

실시예Example 1 One

집전체로서 Cu foil(LS전선, 두께 20 ㎛)의 가장자리에 고분자 필름으로서 비다공질막인 기공도 20%의 PE 필름(polyethylene, 두께 20 ㎛)을 부착하였다.As a current collector, a non-porous PE film (polyethylene, 20 ㎛ thick) with a porosity of 20% was attached to the edge of Cu foil (LS wire, 20 ㎛ thick) as a polymer film.

그 후, 아래와 같은 방법으로 상기 집전체의 상면 및 하면에 각각 양극과 음극을 형성하였다. Afterwards, an anode and a cathode were formed on the upper and lower surfaces of the current collector, respectively, in the following manner.

상기 양극을 형성하기 위하여, 황-탄소 복합체, 도전재 및 바인더의 중량비를 90:5:5로 하여 혼합한 후 물에 용해시켜 농도(고형분 함량을 기준으로 한 농도) 20%의 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 상기 집전체의 상면에 바 코팅 방법을 사용하여 코팅한 이후 50℃에서 2시간 건조하여 양극을 형성하였다. 상기 건조된 양극은 기공도가 65%가 되도록 롤 프레스를 사용하여 압연하였다. 이때, 상기 황-탄소 복합체는 황과 탄소를 70:30의 중량비로 혼합한 후 155℃에서 열처리하여 제조한 것이며, 상기 탄소는 비표면적이 300 ㎡/g이고, 입자의 직경이 30 ㎛인 CNT를 사용하였다. 또한, 상기 도전재는 VGCF(Vapor grown carbon fiber)를 사용하였으며, 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF)를 사용하였다.To form the positive electrode, the sulfur-carbon composite, conductive material, and binder were mixed at a weight ratio of 90:5:5 and then dissolved in water to prepare a positive electrode slurry with a concentration of 20% (concentration based on solid content). did. The positive electrode slurry was coated on the upper surface of the current collector using a bar coating method and then dried at 50°C for 2 hours to form a positive electrode. The dried positive electrode was rolled using a roll press to have a porosity of 65%. At this time, the sulfur-carbon composite was prepared by mixing sulfur and carbon at a weight ratio of 70:30 and heat treatment at 155°C, and the carbon was a CNT with a specific surface area of 300 ㎡/g and a particle diameter of 30 ㎛. was used. In addition, vapor grown carbon fiber (VGCF) was used as the conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVDF) was used as the binder.

상기 음극으로는 리튬 호일을 상기 집전체의 하면에 부착하였다. 이때, 상기 리튬 호일을 롤 프레스로 압착하여 부착시켰다.As the negative electrode, lithium foil was attached to the lower surface of the current collector. At this time, the lithium foil was attached by pressing it with a roll press.

또한, 상기 양극과 음극 상에는 제1 및 제2 분리막을 적층하였다. 상기 제1 및 제2 분리막으로는 모두 두께 20㎛ 및 기공도 45%의 폴리에틸렌 분리막을 사용하였다.Additionally, first and second separators were laminated on the anode and cathode. As the first and second separators, polyethylene separators with a thickness of 20 μm and a porosity of 45% were used.

그 후, 상기 양극 상에 형성된 제1 분리막에는 리튬 음극과 음극 집전체인 Cu foil을 순차적으로 적층시키고, 상기 음극 상에 형성된 제2 분리막에는 양극과 양극 집전체인 알루미늄 호일을 순차적으로 적층시켰다. 이때, 양극과 음극은 상술한 바와 같은 동일한 종류의 양극과 음극을 동일한 방법으로 형성하였다.Afterwards, a lithium negative electrode and Cu foil, a negative electrode current collector, were sequentially laminated on the first separator formed on the positive electrode, and the positive electrode and aluminum foil, a positive electrode current collector, were sequentially laminated on the second separator formed on the negative electrode. At this time, the anode and cathode of the same type as described above were formed in the same manner.

그 후, 케이스 내부로 전해액을 주입하여 리튬-황 이차전지를 제조하였다. 이때 상기 전해액은, 유기 용매에 3.0M 농도의 리튬 비스(트리플루오르메틸 설포닐)이미드(LiTFSI)를 용해시켜 제조한 것이며, 상기 유기 용매는 프로피오니트릴(제1 용매)과 1H,1H,2'H,3H-데카플루오로디프로필 에테르(제2 용매)를 3:7 중량비(w/w)로 혼합한 용매인 것이다.Afterwards, an electrolyte was injected into the case to manufacture a lithium-sulfur secondary battery. At this time, the electrolyte solution was prepared by dissolving lithium bis(trifluoromethyl sulfonyl)imide (LiTFSI) at a concentration of 3.0M in an organic solvent, and the organic solvent was propionitrile (first solvent), 1H, 1H, It is a solvent mixed with 2'H,3H-decafluorodipropyl ether (second solvent) at a weight ratio (w/w) of 3:7.

실시예 1은 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 단위셀 2개가 상기 고분자 필름이 부착된 집전체를 통해 내부로 직렬 연결된 것이다.In Example 1, two unit cells including an anode, a cathode, and a separator were internally connected in series through a current collector to which the polymer film was attached.

비교예 1Comparative Example 1

도 2에 도시된 바와 같이, 양극 집전체(221)로서 알루미늄 호일 상에 양극(220), 분리막(230), 음극(210) 및 음극 집전체(211)로서 구리 호일을 순차적으로 적층한 후, 케이스 내에 전해액(400)을 주입하여, 단위셀(200)을 제조하였다. 이때, 상기 양극 집전체, 양극, 분리막, 음극 및 음극 집전체의 구성 및 형성 방법은 실시예 1과 동일하다. 이때, 양극 집전체(221) 및 음극 집전체(211)에는 고분자 필름이 부착되지 않았다.As shown in Figure 2, after sequentially stacking copper foil as the positive electrode 220, separator 230, negative electrode 210, and negative electrode current collector 211 on aluminum foil as the positive electrode current collector 221, The unit cell 200 was manufactured by injecting the electrolyte 400 into the case. At this time, the configuration and formation method of the positive electrode current collector, positive electrode, separator, negative electrode, and negative electrode current collector are the same as Example 1. At this time, the polymer film was not attached to the positive electrode current collector 221 and the negative electrode current collector 211.

상기 단위셀 2개를 외부로 직렬 연결하여, 리튬-황 이차전지를 제조하였다 (도 2).The two unit cells were externally connected in series to manufacture a lithium-sulfur secondary battery (FIG. 2).

비교예 2Comparative Example 2

집전체의 가장자리에 고분자 필름을 부착하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방식으로, 바이폴라 리튬-황 이차전지를 제조하였다. 비교예 2는 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 단위셀 2개가 상기 집전체를 통해 내부로 직렬 연결된 것이다 (도 3).A bipolar lithium-sulfur secondary battery was manufactured in the same manner as Example 1, except that the polymer film was not attached to the edge of the current collector. In Comparative Example 2, two unit cells including an anode, a cathode, and a separator were internally connected in series through the current collector (FIG. 3).

실험예 1: 리튬-황 이차전지의 성능 개선 효과 분석Experimental Example 1: Analysis of performance improvement effect of lithium-sulfur secondary battery

실시예 1 및 비교예 1,2에서 각각 제조된 리튬-황 이차전지의 성능에 대한 실험을 실시하였다. 실시예 1은 가장자리에 고분자 필름이 부착된 집전체를 포함하는 바이폴라 리튬-황 이차전지이고(상기 가장자리에 고분자 필름이 부착된 집전체에 의해, 2개의 단위셀이 전지 내부에서 직렬로 연결된 형태), 비교예 1은 2개의 단위셀이 전지 외부에서 직렬로 연결된 형태의 리튬-황 이차전지이고, 비교예 2는 실시예 1에서 고분자 필름이 부착되지 않은 집전체를 포함하는 바이폴라 리튬-황 이차전지이다. An experiment was conducted on the performance of the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, respectively. Example 1 is a bipolar lithium-sulfur secondary battery including a current collector with a polymer film attached to the edge (two unit cells are connected in series inside the battery by a current collector with a polymer film attached to the edge). , Comparative Example 1 is a lithium-sulfur secondary battery in which two unit cells are connected in series outside the battery, and Comparative Example 2 is a bipolar lithium-sulfur secondary battery including a current collector without a polymer film attached in Example 1. am.

실시예 1 및 비교예 1,2에서 각각 제조된 리튬-황 이차전지에 대하여, 0.1C 로 방전시켜, 방전 용량을 측정하였다.The lithium-sulfur secondary batteries prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, respectively, were discharged at 0.1C and the discharge capacity was measured.

도 4는 비교예 1 및 비교예 2에서 각각 제조된 리튬-황 이차전지에 대한 방전 용량을 측정한 그래프이고, 도 5는 비교예 1 및 실시예 1에서 각각 제조된 리튬-황 이차전지에 대한 방전 용량을 측정한 그래프이다. Figure 4 is a graph measuring the discharge capacity for the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively, and Figure 5 is a graph measuring the discharge capacity for the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Comparative Example 1 and Example 1, respectively. This is a graph measuring discharge capacity.

도 4를 참조하면, 비교예 2와 같이 집전체의 가장자리에 고분자 필름을 부착하지 않고 바이폴라 리튬-황 이차전지를 구성한 경우, 2개의 단위셀이 외부에서 직렬로 연결된 비교예 1에 비해 충전/방전을 거듭할수록 우회 전류의 발생으로 인한 자가 방전이 발생하여 방전용량이 감소하는 것을 확인하였다.Referring to FIG. 4, when a bipolar lithium-sulfur secondary battery is constructed without attaching a polymer film to the edge of the current collector as in Comparative Example 2, charge/discharge compared to Comparative Example 1 in which two unit cells are externally connected in series It was confirmed that as the process continued, self-discharge occurred due to the generation of bypass current, and the discharge capacity decreased.

도 5를 참조하면, 실시예 1의 경우 2개의 단위셀이 전지 내부에서 고분자 필름이 부착된 집전체에 의해 직렬로 연결된 경우로서, 상기 2개의 단위셀이 전지 외부에서 직렬로 연결된 비교예 1에 비해 방전용량 감소가 낮음을 알 수 있다. Referring to Figure 5, in Example 1, two unit cells are connected in series inside the battery by a current collector to which a polymer film is attached, and in Comparative Example 1, the two unit cells are connected in series outside the battery. It can be seen that the reduction in discharge capacity is lower than that.

도 6은 실시예 1의 바이폴라 리튬-황 이차전지에서 집전체의 양면에 각각 형성된 음극 및 양극의 횡단면을 나타낸 사진이다.Figure 6 is a photograph showing the cross-section of the negative electrode and positive electrode respectively formed on both sides of the current collector in the bipolar lithium-sulfur secondary battery of Example 1.

도 6에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 바이폴라 리튬-황 이차전지의 음극의 횡단면의 사진을 보면 음극과 음극에 적층된 집전체의 가장자리에 부착된 고분자 필름을 확인할 수 있고, 양극의 사진을 보면 양극과 고분자 필름을 확인할 수 있다. 이로부터, 집전체의 가장자리에 부착된 고분자 필름으로 인하여 양극과 음극이 분리되어 있음을 알 수 있으며, 이와 같은 구조로 인하여 실제 전지 구동시 전해액 내에서 Li+ 이온 및 폴리 설파이드의 이동을 차단할 수 있음을 알 수 있다.As shown in Figure 6, looking at the photo of the cross-section of the negative electrode of the bipolar lithium-sulfur secondary battery of Example 1, you can see the polymer film attached to the edge of the negative electrode and the current collector laminated on the negative electrode, and looking at the photo of the positive electrode, You can check the anode and polymer film. From this, it can be seen that the anode and cathode are separated by the polymer film attached to the edge of the current collector, and this structure can block the movement of Li + ions and polysulfide within the electrolyte when the battery is actually operated. can be seen.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described above with limited examples and drawings, the present invention is not limited thereto, and the technical idea of the present invention and the following description will be provided by those skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalence of the patent claims.

1: 바이폴라 리튬 이차전지
B/U: 바이폴라 유닛
110: 집전체
120: 고분자 필름
200: 제2 단위셀
300: 제1 단위셀
210, 310: 음극
211,311: 음극 집전체
220, 320: 양극
221: 양극 집전체
230 : 제2 분리막, 330: 제1 분리막
400: 전해액
410: 제2 전해액, 420: 제1 전해액
1: Bipolar lithium secondary battery
B/U: Bipolar unit
110: house whole
120: polymer film
200: second unit cell
300: first unit cell
210, 310: cathode
211,311: negative electrode current collector
220, 320: anode
221: Anode current collector
230: second separator, 330: first separator
400: electrolyte
410: second electrolyte, 420: first electrolyte

Claims (9)

집전체(110);
상기 집전체(110)의 가장자리를 둘러싼 형태로 부착된 고분자 필름(120);
상기 집전체(110)의 양면에 각각 형성된 양극(320)과 음극(210)을 포함하는 전극층;
상기 양극(320)과 음극(210) 상에 각각 형성된 제1 및 제2 분리막(330, 230); 및
상기 제1 및 제2 분리막(330, 230) 사이에 포함된 전해액(400)을 포함하되,
상기 제1 및 제2 분리막(330, 230) 사이에 포함된 전해액(400)은 상기 고분자 필름(120)에 의해 분리된 것인, 바이폴라 리튬 이차전지(1)로서,
상기 전해액(400)은 상기 고분자 필름(120)에 의해 제1 전해액(420) 및 제2 전해액(410)으로 분리되고,
상기 제1 전해액(420)은 상기 고분자 필름(120), 양극(320) 및 제1 분리막(330)으로 둘러싸인 형태이고,
상기 제2 전해액(410)은 상기 고분자 필름(120), 음극(210) 및 제2 분리막(230)으로 둘러싸인 형태인 것인, 바이폴라 리튬 이차전지(1).
Current collector (110);
A polymer film 120 attached to surround the edge of the current collector 110;
An electrode layer including an anode 320 and a cathode 210 formed on both sides of the current collector 110, respectively;
First and second separators 330 and 230 formed on the anode 320 and cathode 210, respectively; and
An electrolyte solution 400 included between the first and second separators 330 and 230,
The electrolyte solution 400 contained between the first and second separators 330 and 230 is a bipolar lithium secondary battery (1) separated by the polymer film 120,
The electrolyte 400 is separated into a first electrolyte 420 and a second electrolyte 410 by the polymer film 120,
The first electrolyte solution 420 is surrounded by the polymer film 120, the anode 320, and the first separator 330,
The second electrolyte solution 410 is a bipolar lithium secondary battery (1) surrounded by the polymer film 120, the negative electrode 210, and the second separator 230.
제1항에 있어서,
상기 고분자 필름(120)은 비다공질막을 포함하는 것인, 바이폴라 리튬 이차전지(1).
According to paragraph 1,
The polymer film 120 is a bipolar lithium secondary battery (1) including a non-porous membrane.
제1항에 있어서,
상기 고분자 필름(120)은 비다공질막과 다공질막을 포함하는 적층 고분자 필름인, 바이폴라 리튬 이차전지(1).
According to paragraph 1,
The polymer film 120 is a bipolar lithium secondary battery (1), which is a laminated polymer film including a non-porous membrane and a porous membrane.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 비다공질막은 폴리올레핀, 셀룰로오스 및 불소 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 바이폴라 리튬 이차전지(1).
According to paragraph 2 or 3,
A bipolar lithium secondary battery (1), wherein the non-porous membrane includes at least one selected from the group consisting of polyolefin, cellulose, and fluororesin.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 비다공질막의 기공도는 30% 이하인, 바이폴라 리튬 이차전지(1).
According to paragraph 2 or 3,
A bipolar lithium secondary battery (1) wherein the non-porous membrane has a porosity of 30% or less.
제1항에 있어서,
상기 전극층 중 양극(320)은 황 원소(elemental sulfur, S8), 황 계열 화합물 및 황-탄소 복합체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인, 바이폴라 리튬 이차전지(1).
According to paragraph 1,
A bipolar lithium secondary battery (1) in which the positive electrode 320 of the electrode layer includes at least one selected from the group consisting of elemental sulfur (S8), sulfur-based compounds, and sulfur-carbon complexes.
제1항에 있어서,
상기 전극층 중 음극(210)은 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함하는 것인, 바이폴라 리튬 이차전지(1).
According to paragraph 1,
A bipolar lithium secondary battery (1) in which the negative electrode 210 of the electrode layer contains lithium metal or lithium alloy.
제1항에 있어서,
상기 전해액(400)은 상기 고분자 필름(120)에 의해 분리되어 상호 이동이 방지된 것인, 바이폴라 리튬 이차전지(1).
According to paragraph 1,
The electrolyte solution 400 is separated by the polymer film 120 and mutual movement is prevented, the bipolar lithium secondary battery (1).
제1항에 있어서,
상기 전해액(400)은 고분자 필름(120)에 의해 분리되되, 상기 전해액(400)은 상기 양극에 인접한 전해액과 상기 음극에 인접한 전해액으로 분리되며,
상기 고분자 필름(120)에 의해 상기 양극에 인접한 전해액에 포함된 폴리 설파이드와 상기 음극에 인접한 전해액에 포함된 리튬 이온의 상호 이동이 방지된 것인, 바이폴라 리튬 이차전지(1).
According to paragraph 1,
The electrolyte solution 400 is separated by a polymer film 120, and the electrolyte solution 400 is separated into an electrolyte solution adjacent to the anode and an electrolyte solution adjacent to the cathode,
A bipolar lithium secondary battery (1) in which mutual movement of polysulfide contained in the electrolyte solution adjacent to the positive electrode and lithium ions contained in the electrolyte solution adjacent to the negative electrode is prevented by the polymer film 120.
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