KR20130100698A - 이차전지용 양극 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 합제가 도포되어 있는 이차전지용 양극으로서, 이종(異種)의 양극 활물질을 각각 포함하는 둘 이상의 합제들이 스트라이프(stripe) 형상으로 서로 인접하여 도포되어 있는 이차전지용 양극을 제공한다.

Description

이차전지용 양극 {Cathode for Secondary Battery}
본 발명은 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 합제가 도포되어 있는 이차전지용 양극으로서, 이종(異種)의 양극 활물질을 각각 포함하는 둘 이상의 합제들이 스트라이프(stripe) 형상으로 서로 인접하여 도포되어 있는 이차전지용 양극에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 최근에는 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속(Ni-MH) 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 되어 있다.
리튬 이차전지는 집전체 상에 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막이 개재된 전극조립체에 리튬염을 포함하는 비수계 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다.
이러한 리튬 이차전지의 양극 활물질로는 리튬 코발트계 산화물, 리튬 망간계 산화물, 리튬 니켈계 산화물, 리튬 복합 산화물 등이 사용되고 있고, 음극 활물질로는 탄소재료가 주로 사용되고 있고, 규소 화합물, 황 화합물 등의 사용도 고려되고 있다.
상기 양극 활물질 재료들은 각각 고유한 특징을 가지고 있고, 이를 상호 보완하기 위하여 혼합 양극 활물질을 사용하기도 하였다. 또한, 전극조립체 내의 각각의 전극에 다른 양극 활물질을 사용하여 혼합 전극조립체를 사용하기도 하였다.
그러나, 상기와 같은 혼합 사용에도 불구하고 이차전지에 비정상적인 상태가 발생하는 경우, 전류량이 급격히 증가하면서 폭주하거나 폭발하는 현상이 나타나게 되어, 이차전지의 안전성에 문제가 발생하게 된다.
일반적으로 상기와 같은 안전성 문제를 해결하기 위하여 첨가제 등의 방안을 고려하였지만, 전기적 특성이 저하되는 등의 부작용으로 인하여 만족스러운 결과를 얻지 못하고 있다.
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 이종(異種)의 양극 활물질들을 각각 포함하는 둘 이상의 합제들이 스트라이프(stripe) 형상으로 서로 인접하여 도포되어 있는 이차전지용 양극의 경우, 놀랍게도 소망하는 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명은 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 합제가 도포되어 있는 이차전지용 양극으로서, 이종(異種)의 양극 활물질들을 각각 포함하는 둘 이상의 합제들이 스트라이프(stripe) 형상으로 서로 인접하여 도포되어 있는 이차전지용 양극을 제공한다.
일반적으로 집전체 상에 일종 또는 혼합 양극 활물질을 포함하는 단일의 양극 합제가 도포된다. 본 발명의 양극은 집전체 상에 스트라이프, 즉 줄무늬 형상으로 이종의 양극 활물질을 각각 포함하는 둘 이상의 합제들이 서로 인접하여 도포되어 있는 구조로 이루어진다.
이종(異種)의 양극 활물질들이 합제 전체에 혼합된 상태로 존재하는 것이 아니라, 각각의 양극 활물질이 띠 모양으로 측면 방향으로 서로 인접하여 배열된 형태로 양극 집전체에 도포되므로, 각각의 양극 활물질 띠는 각각 고유한 특성을 가지게 된다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 이종의 양극 활물질 중 하나는 상대적으로 발화 안전성이 우수한 양극 활물질일 수 있다.
발화 안전성이 우수한 양극 활물질을 포함함으로써, 이벤트 발생 시 양극 활물질의 발화의 진행이 상기 발화 안전성이 우수한 양극 활물질 부분에서 둔화 또는 정지되어 안전성을 향상시킬 수 있다.
상기 발화 안전성이 우수한 양극 활물질의 하나의 예로는 올리빈계 리튬 철 인산화물일 수 있다. 상기 올리빈계 리튬 철 인산화물은 LiFePO4로 표현될 수 있다. 상기 올리빈계 리튬 철 인산화물은 그 자체의 도전성이 낮아서 양극 활물질로 사용되기 위해서는 리튬 인산철의 표면에 도전성 물질을 코팅하는 방법을 사용할 수 있다. 상기 도전성 물질은 전기 전도성을 가지는 물질이면 어느 것이나 가능하지만, 바람직하게는 탄소, 전도성 폴리머 등을 들 수 있다.
상기 올리빈계 리튬 철 인산화물이 집전체 전반에 걸쳐 접촉하고 있을 경우, 낮은 전기 전도도로 인하여 저항이 크게 되어 전기적 성능에 좋지 않은 영향을 미치게 되어 바람직하지 않다.
본 발명에서는, 집전체와 양극 합제의 접촉 면적 중 일부분에서 상기 올리빈계 리튬 철 인산화물이 집전체와 접촉하고 있으므로, 상기와 같은 저항에 따른 전기적 성능 저하를 최소화할 수 있다.
또한, 상기 발화 안전성이 우수한 양극 활물질 이외의 양극 활물질은 층상 구조의 리튬 전이금속 산화물 및/또는 스피넬 구조의 리튬 망간 산화물일 수 있다.
상기 층상 구조의 리튬 전이금속 산화물은 1 또는 그 이상의 전이금속을 포함하는 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y이고, B = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물 등을 들 수 있다.
상기 스피넬 구조의 리튬 망간 산화물은 화학식 Li1+aMn2-bM’bO4-cBc (여기서, M’는 Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y이고, B는 F, P 또는 Cl이며, -0.5≤a≤+0.5, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.2 임)로 표현되는 스피넬 구조 리튬 망간 산화물일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 양극 합제들은 동일한 양극 활물질의 합제 스트라이프들이 주기적으로 반복되는 패턴 형상으로 도포되어 있는 것일 수 있다.
이러한 반복 패턴으로 인하여 상대적으로 발화 안전성이 우수한 양극 활물질을 포함하는 합제가 주기적으로 반복하여 위치하므로 이차전지의 안전성을 더욱 도모할 수 있다.
상기 양극 합제는 상기 양극 활물질 이외에, 필요에 따라, 바인더, 도전재, 충진제 등을 용매에 혼합하여 제조될 수 있다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합제 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 전극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
또한, 점도 조절제, 접착 촉진제 등의 기타의 성분들이 선택적으로 또는 둘 이상의 조합으로서 더 포함될 수 있다.
상기 점도 조절제는 전극 합제의 혼합 공정과 그것의 집전체 상의 도포 공정이 용이할 수 있도록 전극 합제의 점도를 조절하는 성분으로서, 양극 합제 전체 중량을 기준으로 30 중량%까지 첨가될 수 있다. 이러한 점도 조절제의 예로는, 카르복시메틸셀룰로우즈, 폴리비닐리덴 플로라이드 등이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 앞서 설명한 용매가 점도 조절제로서의 역할을 병행할 수 있다.
상기 접착 촉진제는 집전체에 대한 활물질의 접착력을 향상시키기 위해 첨가되는 보조성분으로서, 바인더 대비 10 중량% 이하로 첨가될 수 있으며, 예를 들어 옥살산 (oxalic acid), 아디프산(adipic acid), 포름산(formic acid), 아크릴산(acrylic acid) 유도체, 이타콘산(itaconic acid) 유도체 등을 들 수 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체는, 상기 음극 집전체에서와 마찬가지로, 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지용 양극의 제조방법으로서, 멀티 피드(multi feed)를 통해 이종(異種)의 양극 활물질을 각각 포함하는 합제들을 서로 인접한 상태로 피딩(feeding)하는 과정을 포함하는 이차전지용 양극의 제조방법을 제공한다.
상기 멀티 피드는 둘 이상의 피드가 연속적으로 형성되어 있는 것이면 피드의 개수에 있어서 별도의 제한은 없다. 소망하는 패턴의 형태에 따라 피드의 개수를 선택하여 사용할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 피딩은 집전체 상에 직접 수행할 수도 있고, 상기 피딩에 의해 합제 필름을 형성한 후 상기 합제 필름을 집전체 상에 도포할 수도 있다.
상기 합제 필름을 형성한 후 합제 필름을 집전체 상에 도포하는 경우, 반복 단위가 되는 기본 패턴에 대응하는 개수의 피더를 사용하여 필름을 형성한 후, 상기 합제 필름을 상하로 분리한 후 측면 방향으로 연결한 다음, 집전체에 도포할 수 있다. 상기 상하 분리 과정은 패턴의 크기 및 공정 사이즈에 따라 1회 이상 진행할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극조립체에 비수계 전해액이 함침되어 있는 구조로 이루어진 이차전지를 제공한다. 바람직하게는, 상기 리튬염 함유 비수계 전해액이 함침되어 있는 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하고 있는 음극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 상기 음극 합제에는, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등의 성분들이 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 바인더와 도전재 및 필요에 따라 첨가되는 성분들은 양극에서의 설명과 동일하다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공하고, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다.
상기 디바이스의 바람직한 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.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지용 양극은 이종(異種)의 양극 활물질을 각각 포함하는 둘 이상의 합제들이 스트라이프 형상으로 서로 인접하여 도포되어 있는 구조로 인하여 전기적 성능의 저하를 최소화하고 발화 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 전극을 나타내는 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 전극을 나타내는 수직 단면도이다;
도 3 내지 도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 전극 합제 필름을 제조하는 과정을 나타내는 모식도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만 본 발명의 범주가 그것에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 전극을 모식적으로 도시하고 있고, 도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 전극의 수직 단면도를 모식적으로 도시하고 있다.
이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 양극(100)은 양극 집전체(130)의 양면에 서로 다른 양극 활물질들을 포함하는 2종의 양극 합제(110, 120)가 서로 인접하여 주기적으로 반복되는 패턴 형상으로 도포되어 있다. 양극 집전체(130)의 일측 단부에는 외부 단자와의 연결을 위한 양극 탭(131)이 돌출되어 있다.
이러한 구조로 인하여, 발화 시 2종의 양극 합제들(110, 120) 중에서 상대적으로 발화 안전성이 우수한 합제가 발화를 둔화시키거나 정지시킬 수 있어서, 이차전지의 안전성이 향상되는 효과가 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 전극 합제 필름을 제조하는 과정을 모식적으로 도시하고 있다.
이들 도면들을 참조하면, 듀얼 피드(dual feed)에 의해 피딩된 2 종의 양극 합제(110, 120)가 서로 인접한 상태로 제조되고, 커터(200)를 사용하여 양극 합제들(110, 120)을 길이방향으로 상하 분리한 다음 측면 방향으로 연결한다.
이후, 커터(200)를 사용하여 길이방향(점선 화살표 방향)으로 다시 상하 분리한 다음 측면 방향(곡선 화살표 방향)으로 연결하여, 동일한 패턴이 주기적으로 반복되는 형상의 양극 합제 필름을 제조할 수 있다.
본 발명의 구성에 따른 효과를 확인하기 위하여, 하기에서는 일부 실험 내용을 제시하지만, 본 발명의 범주가 그것으로 한정되는 것은 아니다.
실시예
(제 1 합제 슬러리의 제조)
제 1 양극 활물질로서 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 91.5 중량%를 도전재로서 Denka Black 4.5 중량% 및 바인더로서 KF1100 (PVdF) 4.0 중량%와 NMP에서 혼합하여 제 1 합제 슬러리를 제조하였다.
(제 2 합제 슬러리의 제조)
제 2 양극 활물질로서 LiFePO4 91.5 중량%를 도전재로서 Denka Black 4.5 중량% 및 바인더로서 KF1100 (PVdF) 4.0 중량%와 혼합하여 제 2 합제 슬러리를 제조하였다.
(양극의 제조)
상기에서 제조된 제 1 합제 슬러리와 제 2 합제 슬러리를 동시에 동량으로 manifold에 공급한 후, 도 3 내지 도 5과 같은 분할 과정을 거쳐서 총 128개의 띠로 구성된 양극 합제 필름을 제조하였다. 이러한 양극 합제 필름을 알루미늄 호일 상에 코팅하여 스트라이프 형상의 양극을 제조하였다. 완성된 양극에서 스트라이프 형상을 이루는 띠의 평균 폭은 1.56 mm 였다.
(이차전지의 제조)
음극 활물질로서 그라파이트와 바인더로서 SBR 및 CMC를 2.2 중량% 및 1.0 중량%로 물에서 혼합하여 합제 슬러리를 제조하고, 이를 구리 호일에 코팅하여 음극을 제조하였다. 양극과 음극 사이에 26 um 두께의 분리막을 개재하여 스택 및 폴딩형의 전극조립체를 제작하였다. EC:DMC:EMC가 3:4:3의 중량비로 혼합된 용매에 1M LiPF6를 첨가한 전해액을 준비하여, 상기 전극조립체가 내장된 전지케이스에 주입하여 리튬 이차전지를 완성하였다.
비교예 1
제 1 합제 슬러리 만을 알루미늄 호일에 코팅하여 양극을 제조하였다는 점을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 제조하였다.
비교예 2
양극 활물질로서 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 및 LiFePO4의 혼합물(중량비 = 50:50)을 Denka Black 4.5 중량% 및 KF1100 (PVdF) 4.0 중량%와 NMP에서 혼합하여 합제 슬러리를 제조하였고, 이를 알루미늄 호일에 코팅하여 양극을 제조하였다는 점을 제외하고는, 실시예와 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 제조하였다.
실험예
상기에서 완성된 리튬 이차전지들의 안전성 평가를 위해 침상 관통 실험을 수행하였다. 즉, 55도로 유지되는 챔버 내에서 3 mm 직경의 blunt nail을 80 mm/sec 속도로 관통한 후 120 분간 방치하여 발화 여부를 확인하였다.
실험 결과, 실시예의 리튬 이차전지는 셀 표면의 최대 온도가 91.4도 측정되었고 발화되지 않았다. 반면에, 비교예 1의 리튬 이차전지는 관통 후 온도가 지속적으로 상승하다가 약 13분 후에 발화되었고, 비교예 2의 리튬 이차전지는 약 34분 후에 발화되었다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 합제가 도포되어 있는 이차전지용 양극으로서, 이종(異種)의 양극 활물질을 각각 포함하는 둘 이상의 합제들이 스트라이프(stripe) 형상으로 서로 인접하여 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이종의 양극 활물질 중 하나는 상대적으로 발화 안전성이 우수한 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 발화 안전성이 우수한 양극 활물질은 올리빈계 리튬 철 인산화물인 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극.
  4. 제 2 항에 있어서, 발화 안전성이 우수한 양극 활물질 이외의 양극 활물질은 층상 구조의 리튬 전이금속 산화물 및/또는 스피넬 구조의 리튬 망간 산화물인 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 합제들은 동일한 양극 활물질의 합제 스트라이프들이 주기적으로 반복되는 패턴 형상으로 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극.
  6. 제 1 항에 따른 이차전지용 양극의 제조방법으로서, 멀티 피드(multi feed)를 통해 이종(異種)의 양극 활물질을 각각 포함하는 합제들을 서로 인접한 상태로 피딩(feeding)하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 피딩은 집전체 상에 직접 수행하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 피딩에 의해 합제 필름을 형성한 후, 상기 합제 필름을 집전체 상에 도포하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 합제 필름을 상하로 분리한 후 측면 방향으로 연결한 다음, 집전체에 도포하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 양극의 제조방법.
  10. 제 1 항에 따른 이차전지용 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 10 항에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 12 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 13 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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