KR20120126630A - 에너지 저장 장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극, 음극, 및 분리막 중 어느 하나에, 또는 외장재에 자성층을 포함하는 에너지 저장 장치와 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 분리막 주변에 이온 전도도 향상을 위해 자성층이 구비되거나, 양극 및 음극 집진체 표면, 또는 양극 및 음극 활물질에 자성체 재료를 포함하여 양극과 음극 간의 리튬 이온 전도도 향상 및 이동도(mobility) 향상으로 충방전 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 이온 트랩(trap)에 의한 shortage 및 수축율에　따른 불량을 개선할 수 있다.

Description

에너지 저장 장치 및 이의 제조방법{Energy storage apparatus and method for preparing the same}
본 발명은 에너지 저장 장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 이온전도도가 향상되어 고효율 충방전 특성이 우수한 에너지 저장 장치와 이의 제조방법에 관한 것이다.
화석에너지 사용의 급증은 지구온난화 및 에너지고갈 문제를 야기시킨다. 이와 같은 경우는 에너지 저장장치인 전지에서도 마찬가지이다.
과거에는 수소, 리튬 일차전지를 이용함으로써 단수명 및 폐기물 처리에 따른 비용과 제조 비용 증가 등의 환경적 비용적인 문제점을 대두하게 되었다. 이러한 문제점을 개선하고 전세계적으로 이슈가 되고 있는 저탄소 녹색성장 및 자원의 재활용을 통한 지구 환경 지키기를 위해 대표적인 화석연료를 통한 환경주범인 자동차, 중장비, IT 기기 등에 이차전지를 에너지원으로 한 시장형성이 활발히 이루어지고 있으며 앞으로의 시장에 대한 파급효과는 매우 클 것으로 기대된다. 특이 핸드폰, 노트북, 정보소자 등과 같은 휴대용 IT 기기와 자동차분야에 있어서는 다양한 성능에 따른 전지의 수요는 폭발적으로 증가할 것으로 예상된다.
에너지 저장 장치의 하나인 이차전지는 다음 도 1에서와 같이, 양극 집전체 상(11)에 양극활물질(12)을 포함하는 양극(10), 음극 집전체 상(21)에 음극활물질(22)을 포함하는 음극(20)이 분리막(30)으로 절연되어 있으며, 상기 양극(10)과 음극(20)을 전해액(40)에 함침시켜 제조할 수 있다. 또한, 이렇게 제조된 전극집전체를 파우치와 같은 외장재를 이용하여 포장시키면 최종 이차전지를 제조할 수 있다.
이러한 각각의 층(layer)를 형성하기 위해서는 각각의 layer를 각각 제조한 후 적층 혹은 라미네이팅(Laminating) 패키징 같은 부가 공정을 거침으로서 각각의 공정 결점에 따는 불량의 유발함과 동시에 습도, 불순물 관리 부실에 따른 공정효율 감소와 충방전 특성 저하를 초래하게 된다.
기존의 이차전지 제조는 코발트, 니켈, 망간 등을 적어도 하나 이상 포함한 리튬 금속복합산화물을 알루미늄 집전체 형성하여 양극제를 만드는 공정; 활성탄, 그라파이트와 같은 탄소재료, P, Al, SI, Ge 등의 금속을 포함한 Sn계 복합산화물, 리튬티탄 산화물을 적어도 하나 이상 포함하여 구리 집전체에 형성하여 음극제를 만드는 공정; 에틸렌카보네이트, 디메틸렌카보네이트, 폴리카보네이트, 에틸메틸카보이트를 적어도 하나 이상을 포함하는 전해액 준비단계; 폴리에틸넨, 폴리프로플린 등과 같은 폴리올레핀 계열의 미세 다공막으로 이루어진 분리막을 형성하는 단계; 및 이를 전해액에 합침한 후 양극제와 음극제를 접합하는 공정 이후 외부 단자 형성과 동시에 파우치를 이용하여 패킹하는 단계 등을 거치게 된다.
상기의 공정을 이용하는 경우 각각의 층간 계면표면에서의 리튬 이온의 불안전한 이동에 따른 이온 트랩에 의한 양전극의 전류밀도 저하, 각 층간 접합불량과 동시에 분리막과 전해액의 경우는 전해액의 불균일한 합침과 리튬 이온 전도의 불안정으로 인한 충방전 특성저하와 동시에 레이트 특성 및 수명저하의 원인이 발생하게 된다.
또한, 가속 수명 진행시 리튬 이온이 분리 삽입 불안전에 의한 열화로 인해 트랩(trap)되어 리튬 덴드라이트(dendrite)를 형성함으로써 용량 저하와 동시에 분리막의 기계적 강도 저하 문제를 동시에 발생시키게 된다.
본 발명에서는 상기 종래 기술의 여러 가지 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 리튬 이온의 이온 전도도를 향상시키고, 과온도, SHUT DOWN 및 내열성 확보를 통하여 고효율 충방전 특성이 우수한 에너지 저장 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 에너지 저장 장치의 제조방법을 제공하는 데도 있다.
상기 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치는 양극, 음극, 및 분리막을 포함하며, 상기 분리막은 자성층을 포함할 수 있다.
상기 분리막은 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오르프로필렌(PVDF-HFP), 나일론(Nylon), 폴리우레탄, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아클리로니트릴(PAN), 폴리비닐알콜(PVA), 테프론 수지(PTFE), 폴리이미드, 및 에틸메틸셀룰로우즈로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 자성층은 NiFe, Fe-SI, Tb계 합금, Nd계 합금, 및 Sm계 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 자성층은 분리막에 포함되거나, 상기 분리막의 단면 또는 양면에 포함될 수 있다.
상기 자성층이 분리막에 포함되는 경우, 상기 자성층 재료는 상기 분리막 재료에 대하여 10~30wt%로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 상기 다른 과제를 해결하기 위하여 다른 일 실시예에 따른 에너지 저장장치는 양극, 음극, 및 분리막을 포함하며, 상기 양극 및 음극 중 어느 하나의 집전체 상에 자성층을 포함할 수 있다.
상기 양극 및 음극 중 어느 하나의 집전체는 절연층을 포함할 수 있다.
상기 자성층은 NiFe, Fe-SI, Tb계 합금, Nd계 합금, 및 Sm계 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 다른 과제를 해결하기 위하여 다른 일 실시예에 따른 에너지 저장장치는 양극, 음극, 및 분리막을 포함하며, 상기 양극 및 음극 중 어느 하나의 전극 활물질층은 자성층을 포함할 수 있다.
상기 자성층은 양극 및 음극 중 어느 하나의 전극 활물질에 포함되거나, 양극 및 음극 중 어느 하나의 전극 활물질 상에 포함되는 것일 수 있다.
상기 자성층이 양극 및 음극 중 어느 하나의 전극 활물질에 포함되는 경우, 상기 자성층 재료는 양극 및 음극 중 어느 하나의 전극 활물질에 대하여 10~30 wt%로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 상기 다른 과제를 해결하기 위하여 다른 일 실시예에 따른 에너지 저장장치는 양극, 음극, 및 분리막을 포함하는 전극조립체, 및 상기 전극조립체를 수납하기 위한 케이스를 포함하며, 상기 케이스의 일부 또는 전부에 자성층을 포함할 수 있다.
상기 케이스는 파우치 외장재일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 다른 과제를 해결하기 위하여 다른 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 제조방법은 양극, 음극, 및 분리막을 제조하는 단계; 상기 양극, 음극, 및 분리막 중 어느 하나에 자성층을 형성시키는 단계, 전해액에 함침시키는 단계, 및 케이스에 수납하는 단계를 포함할 수 있다.
자성층은 전기방사, 스프레이 코팅, 케스팅, 및 딥 코팅법(dip coating)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 방법으로 형성될 수 있다.
상기 자성층은 양극 및 음극의 집전체 상에 형성되는 것일 수 있다.
자성층 형성 전, 상기 집전체 상에 절연층을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 자성층은 양극 및 음극의 활물질에 포함되거나, 양극 및 음극의 활물질 상에 형성될 수 있다.
상기 자성층은 분리막에 포함되거나, 분리막의 일면 또는 양면에 형성될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 다른 과제를 해결하기 위하여 다른 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 제조방법은 양극, 음극, 및 분리막을 제조하는 단계; 전해액에 함침시키는 단계, 케이스에 수납하는 단계, 및 상기 케이스의 일부 또는 전부에 자성층을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 분리막 주변에 이온 전도도 향상을 위해 자성층이 구비되거나, 양극 및 음극 집진체 표면, 또는 양극 및 음극 활물질에 자성체 재료를 포함하여 양극과 음극 간의 리튬 이온 전도도 향상 및 이동도(mobility) 향상으로 충방전 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 이온 트랩(trap)에 의한 shortage 및 수축율에　따른 불량을 개선할 수 있다.
또한, 다양한 형태의 분리막 조성 및 구조 제어가 가능하여 저용량, 대용량의 응용범위가 가능하다. 공정 시간이 단축되고 내화학성 및 내구성과 같은 고신뢰성이 확보되는 에너지 저장 장치의 제조가 가능하다.
또한, 전극 조립체를 수납하고, 파우치 외장재의 셀 주변에 자성물질이 코팅되어 외부의 전자파에 의한 간섭을 예방하고 특히 전류의 흐름을 원활하게 진행하여 이온용량 유지율을 향상 시킬 수 있다.
도 1은 통상의 에너지 저장 장치인 2차 전지의 구조이고,
도 2~5는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전지의 구조이다.
이하에서 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 실시예를 도면을 참조하여, 더욱 상세히 설명하면 다음과 같으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 에너지 저장장치는 상기 에너지 저장장치를 구성하는, 양극, 음극, 분리막, 외장재 등에 적어도 한층 이상의 자성층을 포함하는 구조를 가진다.
통상 충방전이 가능한 에너지 저장장치의 경우, 양극제와 음극제를 포함하는 양극과 음극을 전해액에 함침시키면, 전해액에 용해되어 있는 리튬 이온이 음극제에서 양극제로 이동시 방전이 되고 양극제에서 음극제로 이동시 충전이 되는 충방전 동작이 연속적으로 일어나게 된다.
이러한 충방전이 화학적으로 안정하고 고온에서도 리튬 이온 전달을 방해하지 않도록 빠른 이온전도도 이동과 동시에 양극제와 음극제 전체 면적에 대해서 리튬 이온의 이동(mobility)이 균형있게 일어나야만 전지의 효율과 수명 향상을 꾀할 수 있다.
이를 구현하기 위해 본 발명에서는 에너지 저장 장치를 구성하는 각 구성 요소 중 어느 하나에 자성층을 포함하도록 한 것이다.
다음 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 구조를 나타낸 것이며, 이를 참조하면, 양극 집전체 상(111)에 양극활물질(112)을 포함하는 양극(110), 음극 집전체 상(121)에 음극활물질(122)을 포함하는 음극(120)이 분리막(130)으로 절연되어 있으며, 상기 분리막(130)의 단면 또는 양면에 자성층(150)을 포함한다. 여기에 전해액(140)을 함침시키고, 외장재(도면에 표시하지 않음)에 수납하여 최종 제조할 수 있다.
상기 분리막(130)은 양극(110)과 음극(120)을 절연시킴과 동시에 N극-S극의 전기장 형성에 의한 이온 전달 향상 효과를 유발하기 위해 분리막(130)의 일면 또는 양면에 자성층(150)을 코팅하는 방법이다.
또한, 상기 자성층(150)은 상기 분리막(130)의 단면 또는 양면에 별도의 층으로 형성할 수도 있고, 자성층을 형성하기 위한 재료를 분리막 재료와 혼합하여 분리막 형성시 자성물질이 포함하도록 할 수도 있다.
이때 사용되는 자성층 재료는 NiFe, Fe-SI, Tb계 합금, Nd계 합금, 및 Sm계 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 것이 바람직하다.
자성층의 형성 방법은 분리막의 단면 또는 양면에 스프레이 코팅, 잉크젯, 전기방사법, 및 딥 코팅법 (dip coating) 중에서 선택하여 적절히 코팅할 수 있으나, 코팅 방법이 상기에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 분리막 재료는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오르프로필렌(PVDF-HFP), 나일론(Nylon), 폴리우레탄, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아클리로니트릴(PAN), 폴리비닐알콜(PVA), 테프론 수지(PTFE), 폴리이미드, 및 에틸메틸셀룰로우즈로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상이나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 자성 물질과 분리막에 사용되는 재료를 혼합하여 다공성, 투과도가 우수한 분리막을 제조하는 경우, 상기 분리막 재료에 자성 물질을 10~30wt% 로 첨가하는 것이 이온 전달 효과를 극대화시키는 면에서 바람직하다.
다음 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 구조를 나타낸 것이며, 이를 참조하면, 양극 집전체(111) 상에 자성층(150a)을 형성시키고, 상기 자성층(150a) 위에 양극활물질(112)을 포함하는 양극(110), 음극 집전체 상(121)에 자성층(150b)을 형성시키고, 상기 자성층(150b) 위에 음극활물질(122)을 포함하는 음극(120)이 분리막(130)으로 절연되어 있으며, 여기에 전해액(140)을 함침시키고, 외장재(도면에 표시하지 않음)에 수납하여 최종 제조할 수 있다.
상기 전극 집전체 상에 형성되는 자성층 재료는 상기 설명한 바와 같다.
본 발명에 따른 양극 집전체(111)는 양극 집전체는 알루미늄, 스텐레스, 동, 니켈, 티탄, 탄탈 및 니오브로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 양극 집전체는 종래의 전기이중층 캐패시터나 리튬 이온 전지로 사용되고 있는 재질의 재료를　이용할 수 있고, 그 두께는 10~300㎛ 정도의 것이 바람직하다. 또한, 상기 집전체로는 상기와 같은 금속의 박(箔)뿐만 아니라, 에칭된 금속박(箔), 혹은 펀칭 메탈, 그물, 발포체 등과 같이 표면과 뒷면을 관통하는 구멍(孔)을 갖춘 것도 좋다.
본 발명에 따른 음극 집전체는 구리, 니켈, 스테인레스스틸, 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속이 바람직하나, 이에 한정되지 않으며, 상기 음극집전체는 종래의 전기이중층 캐패시터나 리튬 이온 전지로 사용되고 있는 재질의 재료를　이용할 수 있고, 그 두께는 10~300㎛ 정도의 것이 바람직하다. 또한, 상기 집전체로는 상기와 같은 금속의 박(箔)뿐만 아니라, 에칭된 금속박(箔), 혹은 펀칭 메탈, 그물, 발포체 등과 같이 표면과 뒷면을 관통하는 구멍(孔)을 갖춘 것도 좋다.
상기와 같이 양극과 음극의 집전체 상에 자성층을 형성하는 경우, 양극과 음극의 집전체와 자성층 사이에 쇼트가 발생할 우려가 있을 수 있으므로, 필요에 따라 절연층을 먼저 도포시킨 다음, 자성층을 형성하는 것이 바람직할 수도 있다.
상기 절연층은 양극과 음극의 집전체와 자성층을 절연할 수 있는 재료이면 그 종류에 특별히 한정되지 않는다.
또한, 다음 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 구조를 나타낸 것이며, 이를 참조하면, 양극 집전체(111)에 양극활물질(112)을 도포시키고, 상기 양극활물질(112) 상에 자성층(150a)을 형성시킨 양극(110); 음극 집전체 상(121)에 음극활물질(122)을 도포시키고, 상기 음극활물질(122) 상에 자성층(150b)을 형성시킨 음극(120); 이 분리막(130)으로 절연되어 있으며, 여기에 전해액(140)을 함침시키고, 외장재(도면에 표시하지 않음)에 수납하여 최종 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 양극 및 음극의 집전체는 상기 상세히 설명한 바와 같다.
상기 양극 및 음극 활물질 상에 형성되는 자성층 재료는 상기 설명한 바와 같다.
또한, 양극 활물질은 특히 LiMnPO4, (Li3V2(PO4)3), Li4Ti5O12, 및 LiMSiP4 로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 리튬 함유 복합 산화물 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 음극 활물질은 그라파이트, CNT 와 같은 탄소계 재료를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 양극과 음극의 활물질층은 상기 각 활물질 이외에도, 공지된 바인더, 도전재 및 용매를 포함할 수 있음은 물론이다.
본 발명에서 활물질 상에 자성층이 형성되는 경우, 상기 자성층은 양극활물질(112)과 음극활물질(122) 상에 별도의 층으로 형성될 수도 있고, 상기 양극활물질과 음극활물질에 자성 물질을 혼합하여 하나의 층으로 형성될 수도 있다.
상기 자성 물질이 활물질에 혼합되는 경우, 상기 자성 물질은 양극과 음극 활물질에 10~30wt% 로 첨가하는 것이 이온 이동도 향상을 위해 바람직하다.
상기와 같이 양극 및 음극의 집전체 상에 자성층을 포함하거나, 또는 양극 및 음극의 활물질 상에 자성층을 포함함으로써 전기장을 증가시켜 전자의 가속에 의해 음극물질, 양극물질의 원자, 전자 이온화가 골고루 전체적으로 일어나 전류량을 증가시킬 수 있다. 또한, 양극 및 음극 활물질에 자성 물질을 혼합 코팅하여 로렌츠 효과에 의한 이온 이동도를 향상시킬 수 있다.
또한, 다음 도 5에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 구조를 나타낸 것이며, 이를 참조하면, 양극 집전체(111)에 양극활물질(112)을 포함하는 양극(110); 음극 집전체 상(121)에 음극활물질(122)을 포함하는 음극(120); 이 분리막(130)으로 절연된 전극조립체에 전해액(140)을 함침시키고, 외장재(160)에 수납시킨 다음, 상기 외장재의 일부에 자성층(150)을 포함하는 구조를 가진다.
상기 전극조립체를 수납하기 위한 케이스로는 고분자 파우치 형태의 외장재가 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
경우에 따라서, 외장재에 전극조립체를 수납하기 전에 자성층을 형성시킬 수도 있다
또한, 상기 전지 외장재에 형성되는 자성층 재료는 상기 설명한 바와 같다. 또한, 전지 외장재에 형성되는 자성층은 외장재의 전부 또는 일부에 형성될 수 있고, 일부에 형성되는 경우, 그 위치가 특별히 한정되는 것은 아니다.
양극과 음극, 및 분리막을 포함하는 전극조립체를 파우치 외장재와 같은 케이스에 수납한 다음, 셀의 외곽 주변에 자성물질을 코팅하여 전기장 효과에 의한 충방전 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명과 같이 자성 물질이 포함된 이차 전지 셀을 이용하여 양극활물질과 음극 활물질 주변에서 Li 이온 전도도가 원활이 이루어지고 또한 전체 면적에 고루에 삽입 및 탈리됨으로서 빠른 전류이동 속도에 따른 충방전 속도를 향상시킬 수 있다.
이는 리튬 이온이 강자성을 띄고 있기 때문에, 다양한 형태로 포함된 자성층으로 인해 리튬 이온의 이동도를 향상시킬 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
또한, 전지 셀에서 발생할 수 있는 정전기 및 외부 전파의 간섭 등을 상기와 같은 자성층을 포함함으로써 벗어나 셀의 원활한 구동이 가능하게 된다.
　
본 발명에 따른 에너지 저장 장치는 안전한 에너지 밀도를 확보함과 동시에 전해액의 열화에 의한 리튬 덴드라이트 제거 향상에 의한 양음극 표면에 리튬 이온의 표면반응이 일으킬 수 있어 원통형, 각형, 파우치형 등 자유로운 형태의 셀 제작이 가능하다.
11, 111 : 양극집전체
12, 112 : 양극 활물질
10, 110 : 양극
21, 121 : 음극 집전체
20, 120 : 음극
22, 122 : 음극활물질
30, 130 : 분리막
40, 140 : 전해액
150, 150a, 150b : 자성층
160 : 외장재

Claims (21)

  1. 양극, 음극, 및 분리막을 포함하는 에너지 저장장치이고,
    상기 분리막은 자성층을 포함하는 에너지 저장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리막은 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오르프로필렌(PVDF-HFP), 나일론(Nylon), 폴리우레탄, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아클리로니트릴(PAN), 폴리비닐알콜(PVA), 테프론 수지(PTFE), 폴리이미드, 및 에틸메틸셀룰로우즈로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 에너지 저장장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자성층은 NiFe, Fe-SI, Tb계 합금, Nd계 합금, 및 Sm계 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 에너지 저장장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자성층은 분리막에 포함되거나, 상기 분리막의 단면 또는 양면에 포함되는 것인 에너지 저장장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자성층이 분리막에 포함되는 경우, 상기 자성층 재료는 상기 분리막 재료에 대하여 10~30wt% 로 포함되는 것인 에너지 저장장치.
  6. 양극, 음극, 및 분리막을 포함하는 에너지 저장장치이고,
    상기 양극 및 음극 중 어느 하나의 집전체 상에 자성층을 포함하는 에너지 저장장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 양극 및 음극 중 어느 하나의 집전체는 절연층을 포함하는 에너지 저장장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 자성층은 NiFe, Fe-SI, Tb계 합금, Nd계 합금, 및 Sm계 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 에너지 저장장치.
  9. 양극, 음극, 및 분리막을 포함하는 에너지 저장장치이고,
    상기 양극 및 음극 중 어느 하나의 전극 활물질층은 자성층을 포함하는 에너지 저장장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 자성층은 양극 및 음극 중 어느 하나의 전극 활물질에 포함되거나, 양극 및 음극 중 어느 하나의 전극 활물질 상에 포함되는 것인 에너지 저장장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 자성층이 양극 및 음극 중 어느 하나의 전극 활물질에 포함되는 경우, 상기 자성층 재료는 양극 및 음극 중 어느 하나의 전극 활물질에 대하여 10~30wt% 로 포함되는 것인 에너지 저장장치.
  12. 양극, 음극, 및 분리막을 포함하는 전극조립체, 및
    상기 전극조립체를 수납하기 위한 케이스를 포함하며,
    상기 케이스의 일부 또는 전부에 자성층을 포함하는 에너지 저장장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 케이스는 파우치 외장재인 에너지 저장장치.
  14. 양극, 음극, 및 분리막을 제조하는 단계;
    상기 양극, 음극, 및 분리막 중 어느 하나에 자성층을 형성시키는 단계,
    전해액에 함침시키는 단계, 및
    케이스에 수납하는 단계를 포함하는 에너지 저장장치의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    자성층은 전기방사, 스프레이 코팅, 케스팅, 및 딥 코팅법(dip coating)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 방법으로 형성되는 것인 에너지 저장장치의 제조방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 자성층은 양극 및 음극의 집전체 상에 형성되는 것인 에너지 저장장치의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    자성층 형성 전, 상기 집전체 상에 절연층을 형성시키는 단계를 더 포함하는 에너지 저장장치의 제조방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 자성층은 양극 및 음극의 활물질에 포함되거나, 양극 및 음극의 활물질층 상에 형성되는 것인 에너지 저장장치의 제조방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 자성층은 분리막에 포함되거나, 분리막의 일면 또는 양면에 형성되는 것인 에너지 저장장치의 제조방법.
  20. 양극, 음극, 및 분리막을 제조하는 단계;
    전해액에 함침시키는 단계,
    케이스에 수납하는 단계, 및
    상기 케이스의 일부 또는 전부에 자성층을 형성시키는 단계를 포함하는 에너지 저장장치의 제조방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 자성층은 케이스에 수납하기 전에 형성시키는 단계를 포함하는 에너지 저장장치의 제조방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180116964A (ko) * 2017-04-18 2018-10-26 엘지이노텍 주식회사 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자
US12009484B2 (en) 2019-09-20 2024-06-11 Lg Energy Solution, Ltd. Battery cell comprising separator having magnetic body formed therein and method for evaluating battery cell safety against internal short circuit by using same
WO2024158158A1 (ko) * 2022-12-16 2024-08-02 아이케미칼(주) 접착력 및 유연성 개선을 위한 cmc 및 sbr이 첨가되는 음극 수성바인더를 이용하여 제조되는 음극 합제와, 안전성 개선을 위한 자성체를 가지는 세라믹 분말을 포함하는 이차전지

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130308248A1 (en) * 2012-05-07 2013-11-21 The University of Iowa Research Fundation Magnetically modified manganese dioxide electrodes for asymmetric supercapacitors
CN205564920U (zh) * 2013-03-12 2016-09-07 格拉弗技术国际控股有限公司 电子设备
US10573922B2 (en) * 2013-08-15 2020-02-25 Robert Bosch Gmbh Hybrid ionic electronic energy storage device
WO2015029084A1 (ja) * 2013-08-27 2015-03-05 新日本金属鉱業株式会社 電極構造体及び二次電池
DE102013224251A1 (de) * 2013-11-27 2015-05-28 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Verringerung der dendritischen Metallabscheidung auf einer Elektrode und Lithium-Ionen-Akkumulator der von diesem Verfahren Gebrauch macht
KR20210017178A (ko) * 2019-08-07 2021-02-17 주식회사 엘지화학 내부 단락 유도를 위한 전기화학소자 및 이를 이용한 안전성 평가방법
CN110556510B (zh) * 2019-09-24 2021-05-25 珠海格力电器股份有限公司 一种锂离子电池极片及其制备方法和含有该极片的电池
WO2022193168A1 (zh) * 2021-03-17 2022-09-22 宁德新能源科技有限公司 一种磁性集流体及应用其的负极极片、锂金属电池和电子装置
KR102600364B1 (ko) * 2021-02-23 2023-11-09 재단법인대구경북과학기술원 대류 유도형 이차전지용 전해질 및 이를 포함하는 이차전지
CN114203956A (zh) * 2021-12-10 2022-03-18 湖南宸宇富基新能源科技有限公司 一种夹心结构负极片、前驱极片及其制备和应用
CN114300688B (zh) * 2021-12-28 2024-01-16 上海恩捷新材料科技有限公司 一种包含磁性集流体的电池及其制备方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180116964A (ko) * 2017-04-18 2018-10-26 엘지이노텍 주식회사 전극구조 및 이를 포함하는 전기화학 소자
US12009484B2 (en) 2019-09-20 2024-06-11 Lg Energy Solution, Ltd. Battery cell comprising separator having magnetic body formed therein and method for evaluating battery cell safety against internal short circuit by using same
WO2024158158A1 (ko) * 2022-12-16 2024-08-02 아이케미칼(주) 접착력 및 유연성 개선을 위한 cmc 및 sbr이 첨가되는 음극 수성바인더를 이용하여 제조되는 음극 합제와, 안전성 개선을 위한 자성체를 가지는 세라믹 분말을 포함하는 이차전지

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