KR20140144583A - Electrochemical device including a porous core element - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다공성 권심 부재를 포함하는 전기화학소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부충격을 흡수함으로써 전극조립체에 가해지는 외부충격을 감소시켜, 전극조립체의 손상을 방지하는 다공성 권심 부재를 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrochemical device including a porous core member, and more particularly, to an electrochemical device including a porous core member for preventing external damage to an electrode assembly by absorbing an external impact, ≪ / RTI >
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 진행되고 있다.Recently, interest in energy storage technology is increasing. As the application fields of cell phones, camcorders, notebook PCs and even electric vehicles are expanding, efforts for research and development of electrochemical devices are becoming more and more specified. The electrochemical device has received the most attention in this respect. Of these, the development of a rechargeable secondary battery has become a focus of attention. Recently, in developing such a battery, Research and development on the design of electrodes and batteries are underway.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990 년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다.Among the currently applied secondary batteries, the lithium secondary battery developed in the early 1990s has advantages such as higher operating voltage and higher energy density than conventional batteries such as Ni-MH, Ni-Cd and sulfuric acid-lead batteries using an aqueous electrolyte solution .
전기화학소자는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.According to the shape of the battery case, the electrochemical device is classified into a cylindrical battery and a prismatic battery in which an electrode assembly is embedded in a cylindrical or rectangular metal can, and a pouch-type battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch-shaped case of an aluminum laminate sheet do.
또한, 전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 개재되는 세퍼레이터의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 전극활물질이 도포된 긴 시트형의 캐소드와 애노드의 사이에 세퍼레이터를 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 캐소드와 애노드를 세퍼레이터가 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.In addition, the electrode assembly contained in the battery case is a chargeable / dischargeable power generation element having a cathode, an anode, and a separator interposed between the cathode and the anode. The electrode assembly includes a long sheet-like cathode coated with an electrode active material, A jelly-roll type in which a separator is interposed between a cathode and an anode, and a stacked type in which a plurality of cathodes and anodes of a predetermined size are sequentially stacked with a separator interposed therebetween. Among them, the jelly-roll type electrode assembly has an advantage of being easy to manufacture and having a high energy density per weight.
젤리-롤형 전극조립체는 주로 원통형 전지 또는 각형 전지 등에 사용되며, 이 중 원통형 전지는 젤리-롤형 전극조립체를 원통형의 전지케이스에 수납하고, 원통형의 전지케이스 내에 비수 전해액을 주입한 후에, 전지케이스의 개방 상단에 전극 단자가 형성되어 있는 탑 캡을 결합하여 제작한다.The jelly-roll type electrode assembly is mainly used for a cylindrical battery or a prismatic battery. The cylindrical battery includes a jelly-roll type electrode assembly housed in a cylindrical battery case, a non-aqueous electrolyte injected into a cylindrical battery case, And a top cap in which an electrode terminal is formed at an open upper end.
상기 젤리-롤형 전극조립체의 권심에는 일반적으로 원통형의 권심 부재가 삽입되어 있다. 이러한 권심 부재는 소정의 강도를 부여하기 위해 일반적으로 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 구조를 가지고, 수평 단면상 단부가 접하지 않은 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 권심 부재는 전극조립체를 고정 및 지지하고, 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.A cylindrical core member is generally inserted into the core of the jelly-roll type electrode assembly. Such a core member is generally made of a metal material in order to impart a predetermined strength and has a hollow cylindrical structure having a structure in which the plate member is bent in a round shape and the horizontal end portion is not in contact with the end. These core members act as passages for fixing and supporting the electrode assembly and for releasing gas generated by internal reactions during charging, discharging and operation.
그러나, 종래의 권심 부재는 전기화학소자의 낙하 및 압착 등 외부충격이 인가되었을 때, 중공형의 내부구조에 변형이 일어나기 쉽고, 그러한 변형에 의해 권심 부재의 접하지 않은 단부가 세퍼레이터를 뚫고 전극에 접촉됨으로써 내부단락을 유발할 수 있다.However, the conventional core member is liable to be deformed in the hollow internal structure when an external impact such as dropping and pressing of the electrochemical device is applied. By such deformation, the non-contact end of the core member penetrates the separator, Contact may cause an internal short circuit.
특히, 원통형 이차전지가, 예를 들어, 노트북 PC에 사용되는 경우, 대부분 충격 테스트(impact test) 등의 안전성 테스트를 거치게 되는 바, 이에 따라 강한 충격이 가해져 권심 부재가 변형되면서 전지가 발화되는 현상이 발생하여 심각한 문제가 되고 있다.In particular, when a cylindrical secondary battery is used in, for example, a notebook PC, most of the batteries are subjected to a safety test such as an impact test. As a result, a strong impact is applied to the battery, Which is a serious problem.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전기화학소자의 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스가, 효율적으로 방출되는 통로를 확보하여 전기화학소자의 안전성을 향상시킴과 동시에, 전기화학소자에 외부 충격이 가해지더라도, 권심 부재의 충격 흡수를 통해, 전극조립체에 가해지는 충격을 최소화하여 내부단락을 방지하고, 전기화학소자의 기계적 강도를 향상시킨 다공성 권심 부재를 포함하는 전기화학소자를 제공하는 것이다.Accordingly, a problem to be solved by the present invention is to provide a passage through which gases generated by an internal reaction during charging, discharging and operation of an electrochemical device are efficiently discharged, thereby improving the safety of an electrochemical device, There is provided an electrochemical device including a porous core member in which an internal short circuit is prevented by minimizing an impact applied to an electrode assembly through shock absorption of a core member even if an external impact is applied to the device, and the mechanical strength of the electrochemical device is improved, .
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 개재되는 세퍼레이터를 권취하여 제조된 전극조립체가, 전지케이스에 내장되어 있는 전기화학소자로서, 상기 전기화학소자에 가해지는 충격을 흡수하는 다공성 권심 부재가, 상기 전극조립체의 권심에 삽입되어 있는 전기화학소자가 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided an electrochemical device embedded in a battery case, the electrode assembly being manufactured by winding a cathode, an anode, and a separator interposed between the cathode and the anode, There is provided an electrochemical device in which a porous core member for absorbing an impact applied to an electrochemical device is inserted in the core of the electrode assembly.
이때, 상기 다공성 권심 부재의 기공도는, 20 내지 80 %일 수 있다.At this time, the porosity of the porous core member may be 20 to 80%.
그리고, 상기 다공성 권심 부재의 직경은, 1 내지 10 mm일 수 있다.The diameter of the porous core member may be 1 to 10 mm.
그리고 상기 다공성 권심 부재는, 금속, 세라믹 및 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.The porous core member may be formed of any one selected from the group consisting of metals, ceramics, and polymers, or a mixture of two or more thereof.
그리고, 상기 금속은, Al, In, Sn, Pb, Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Pt, Cr, Mn, Zn 및 Ti로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.The metal may be any one selected from the group consisting of Al, In, Sn, Pb, Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Pt, Cr, Mn, Zn and Ti, Lt; / RTI >
그리고, 상기 세라믹은, Al2O3-SiO2계 세라믹, 산화물계 세라믹, 탄화물계 세라믹 및 질화물계 세라믹으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.The ceramic may be any one selected from the group consisting of Al 2 O 3 -SiO 2 ceramics, oxide ceramics, carbide ceramics and nitride ceramics, or a mixture of two or more thereof.
그리고, 상기 고분자는, 아크릴로니트릴 부타디엔 스타이렌 공중합체(ABS), 아크릴로니트릴 에틸아크릴레이트 스타이렌 공중합체(AES), 폴리카보네이트(PC), 아크릴로니트릴 스타이렌 공중합체(SAN), 아크릴로니트릴 스타이렌 아크릴레이트 공중합체(ASA), 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(ETFE), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 카보네이트(PEC), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리아미드(PA), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리우레탄(PU), 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE), 폴리설폰(PSU), 폴리페닐렌 옥사이드(PPO) 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.The polymer may be at least one selected from the group consisting of acrylonitrile butadiene styrene copolymer (ABS), acrylonitrile ethyl acrylate styrene copolymer (AES), polycarbonate (PC), acrylonitrile styrene copolymer (SAN) (PE), polyethylene carbonate (PEC), polyphthalamide (PPA), polyamide (PA), polybutylene terephthalate (PA), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene terephthalate (PET), polyurethane (PU), thermoplastic polyester elastomer (TPEE), polysulfone (PSU), polyphenylene oxide (PPO) and polyvinylidene fluoride Or a mixture of two or more thereof.
그리고, 상기 전기화학소자는 리튬 이차전지일 수 있다.The electrochemical device may be a lithium secondary battery.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기화학소자에 외부 충격이 가해지더라도, 권심 부재의 충격 흡수를 통해, 전기화학소자의 내부단락을 방지하고, 전기화학소자의 기계적 강도를 향상시킨다.According to one embodiment of the present invention, even if an external impact is applied to the electrochemical device, the internal short-circuit of the electrochemical device is prevented through shock absorption of the core member, and the mechanical strength of the electrochemical device is improved.
그리고, 전기화학소자의 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를, 전극조립체의 권심에 존재하는 다공성 권심 부재를 통해 전기화학소자의 외부로 효율적으로 배출시켜, 내부가스에 의한 폭발을 방지함으로써 전기화학소자의 안전성을 향상시킨다.The gas generated by the internal reaction during charging, discharging and operation of the electrochemical device is efficiently discharged to the outside of the electrochemical device through the porous core member existing in the core of the electrode assembly, thereby preventing the explosion by the internal gas Thereby improving the safety of the electrochemical device.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, it should be understood that the embodiments described herein are merely the most preferred embodiments of the present invention, and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention. Accordingly, various equivalents and variations And the like.
본 발명의 전기화학소자는, 캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 개재되는 세퍼레이터를 권취하여 제조된 전극조립체가, 전지케이스에 내장되어 있는 전기화학소자로서, 상기 전기화학소자에 가해지는 충격을 흡수하는 다공성 권심 부재가, 상기 전극조립체의 권심에 삽입되어 있다.An electrochemical device of the present invention is an electrochemical device in which an electrode assembly manufactured by winding a cathode, an anode, and a separator interposed between the cathode and the anode is embedded in a battery case, and an impact Is inserted into the core of the electrode assembly.
본 발명에 따른 전기화학소자에 사용되는 권심 부재는 충격을 흡수하는 다공성 구조로 이루어져 있고, 외부 충격, 특히, 노트북 PC용 원통형 전기화학소자에 대한 충격 테스트(impact test) 또는 크러쉬 테스트(crush test)시 가해지는 충격을 흡수하여, 전극조립체에 가해지는 충격을 최소화 할 수 있으며, 권심 부재 내부의 기공들은 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스의 분출 통로의 역할을 수행하고, 고온 내지 고압 등의 가혹한 환경에서 전극조립체가 발화 또는 폭발하는 현상을 방지할 수 있으므로, 궁극적으로 전기화학소자의 안전성을 향상시킬 수 있다.The core member used in the electrochemical device according to the present invention is made of a porous structure absorbing impacts and can be used as an impact test or a crush test for an external impact, particularly a cylindrical electrochemical device for a notebook PC, The pores in the core member serve as a discharge channel for the gas generated by the internal reaction during charging and discharging and operation, and the high-temperature to high-pressure It is possible to prevent the electrode assembly from igniting or exploding in a harsh environment such as the environment, and ultimately the safety of the electrochemical device can be improved.
여기서, 상기 다공성 권심 부재는 상기 전극조립체의 권심부와 대응되는 모양으로 형성될 수 있는데, 원통형 전기화학소자인 경우에는, 단면이 대략 원형, 타원형 또는 다각형인 봉의 형태로 이루어져, 상기 전극조립체의 변형을 방지하며, 각형 또는 파우치형 전기화학소자인 경우, 판상형으로 이루어져, 상기 전극조립체의 변형을 방지한다.Here, the porous core member may be formed in a shape corresponding to the winding core of the electrode assembly. In the case of a cylindrical electrochemical device, the porous core member may be formed in the form of a rod having a substantially circular, elliptical or polygonal cross- In the case of a square or pouch type electrochemical device, it is formed in a plate-like shape to prevent deformation of the electrode assembly.
이때, 상기 다공성 권심 부재의 기공도는, 20 내지 80 %일 수 있으며, 이러한 수치범위를 만족하게 되면, 전기화학소자 내의 전해액 및 가스의 이동을 원활하게 하여, 전지의 안정성 향상에 유리하다.At this time, the porosity of the porous core member may be 20 to 80%. When the numerical range is satisfied, the movement of the electrolyte and gas in the electrochemical device is facilitated, which is advantageous for improving the stability of the battery.
그리고, 상기 다공성 권심 부재의 직경은, 1 내지 10 mm일 수 있다. 상기 권심 부재의 직경이 너무 크게 되면, 전기화학소자의 용량이 작아지고, 너무 작게 되면, 권심 부재의 기계적 강성이 작아지므로, 상기 수치범위의 직경이 바람직하다.The diameter of the porous core member may be 1 to 10 mm. If the diameter of the core member is too large, the capacity of the electrochemical device becomes small. If the core member is too small, the mechanical rigidity of the core member becomes small.
한편, 상기 다공성 권심 부재는, 금속, 세라믹 및 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.Meanwhile, the porous core member may be composed of any one selected from the group consisting of metals, ceramics, and polymers, or a mixture of two or more thereof.
여기서, 상기 금속은, 전해액과의 반응성이 없거나 낮은 것으로서, Al, In, Sn, Pb, Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Pt, Cr, Mn, Zn 및 Ti로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 권심 부재로서, 금속을 사용하게 되면, 적절한 기계적 특성(전성, 연성, 강성 등)을 부여하여 많은 충격량의 흡수가 가능하게 된다.The metal is selected from the group consisting of Al, In, Sn, Pb, Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Pt, Cr, Mn, Zn, and Ti with no or low reactivity with the electrolyte Any one or a mixture of two or more thereof may be used. When a metal is used as the core member, appropriate mechanical properties (such as malleability, ductility, rigidity, etc.) are imparted and a large amount of impact can be absorbed.
그리고, 상기 세라믹은, Al2O3-SiO2계 세라믹, 산화물계 세라믹, 탄화물계 세라믹 및 질화물계 세라믹으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 상기 세라믹은 강도가 있는 다공성 재료로서, 전기화학소자 내의 전해액 및 가스의 이동을 원활하게 하며, 외부로부터 작용하는 충격을 흡수하여, 전극조립체의 형상을 유지시켜 준다.The ceramic may be any one selected from the group consisting of Al 2 O 3 -SiO 2 ceramics, oxide ceramics, carbide ceramics and nitride ceramics, or a mixture of two or more thereof. The ceramic is a porous material having strength, which facilitates the movement of the electrolytic solution and gas in the electrochemical device, absorbs external impacts, and maintains the shape of the electrode assembly.
그리고, 상기 고분자는, 아크릴로니트릴 부타디엔 스타이렌 공중합체(ABS), 아크릴로니트릴 에틸아크릴레이트 스타이렌 공중합체(AES), 폴리카보네이트(PC), 아크릴로니트릴 스타이렌 공중합체(SAN), 아크릴로니트릴 스타이렌 아크릴레이트 공중합체(ASA), 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(ETFE), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 카보네이트(PEC), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리아미드(PA), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리우레탄(PU), 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE), 폴리설폰(PSU), 폴리페닐렌 옥사이드(PPO) 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 상기 고분자를 사용하게 되면, 전극조립체에 가해지는 충격을 흡수함으로써, 전극조립체가 손상되는 것을 방지할 수 있다.The polymer may be at least one selected from the group consisting of acrylonitrile butadiene styrene copolymer (ABS), acrylonitrile ethyl acrylate styrene copolymer (AES), polycarbonate (PC), acrylonitrile styrene copolymer (SAN) (PE), polyethylene carbonate (PEC), polyphthalamide (PPA), polyamide (PA), polybutylene terephthalate (PA), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene terephthalate (PET), polyurethane (PU), thermoplastic polyester elastomer (TPEE), polysulfone (PSU), polyphenylene oxide (PPO) and polyvinylidene fluoride Or a mixture of two or more thereof. When the polymer is used, the electrode assembly can be prevented from being damaged by absorbing impact applied to the electrode assembly.
한편, 본 발명에 따른 캐소드는 캐소드 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 캐소드층이 집전체의 일면 또는 양면에 담지된 구조를 갖는다.Meanwhile, the cathode according to the present invention has a structure in which a cathode layer including a cathode active material, a conductive material, and a binder is supported on one or both surfaces of a current collector.
상기 캐소드 활물질로는 리튬 함유 산화물을 포함할 수 있으며, 리튬 함유 전이금속 산화물이 바람직하게 사용될 수 있다. 예를 들면 LixCoO2(0.5<x<1.3), LixNiO2(0.5<x<1.3), LixMnO2(0.5<x<1.3), LixMn2O4(0.5<x<1.3), Lix(NiaCobMnc)O2(0.5<x<1.3, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LixNi1 -yCoyO2(0.5<x<1.3, 0<y<1), LixCo1 -yMnyO2(0.5<x<1.3, 0≤y<1), LixNi1 -yMnyO2(0.5<x<1.3, O≤y<1), Lix(NiaCobMnc)O4(0.5<x<1.3, 0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LixMn2 -zNizO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixMn2 -zCozO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixCoPO4(0.5<x<1.3) 및 LixFePO4(0.5<x<1.3)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물은 알루미늄(Al) 등의 금속이나 금속산화물로 코팅될 수도 있다. 또한, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용될 수 있다.The cathode active material may include a lithium-containing oxide, and a lithium-containing transition metal oxide may be preferably used. For example, Li x CoO 2 (0.5 <x <1.3), Li x NiO 2 (0.5 <x <1.3), Li x MnO 2 (0.5 <x <1.3), Li x Mn 2 O 4 1.3), Li x (Ni a Co b Mn c) O 2 (0.5 <x <1.3, 0 <a <1, 0 <b <1, 0 <c <1, a + b + c = 1), Li x Ni 1 -y Co y O 2 (0.5 <x <1.3, 0 <y <1), Li x Co 1 -y Mn y O 2 (0.5 <x <1.3, 0≤y <1), Li x Ni 1 -y Mn y O 2 (0.5 <x <1.3, 0≤y <1), Li x (Ni a Co b Mn c ) O 4 (0.5 <x <1.3, 0 <a < 2, 0 <c <2, a + b + c = 2), Li x Mn 2 -z Ni z O 4 (0.5 <x <1.3, 0 <z <2), Li x Mn 2 -z Co z O 4 (0.5 <x <1.3, 0 <z <2), Li x CoPO 4 (0.5 <x <1.3) and 2 out of any one or combinations selected from the group consisting of Li x FePO 4 (0.5 <x <1.3) And the lithium-containing transition metal oxide may be coated with a metal such as aluminum (Al) or a metal oxide. In addition to the lithium-containing transition metal oxide, sulfide, selenide and halide may also be used.
상기 도전재로서는 전기화학소자에서 화학변화를 일으키지 않는 전자 전도성 물질이면 특별한 제한이 없다. 일반적으로 카본블랙(carbon black), 흑연, 탄소섬유, 카본 나노튜브, 금속분말, 도전성 금속산화물, 유기 도전재 등을 사용할 수 있고, 현재 도전재로 시판되고 있는 상품으로는 아세틸렌 블랙계열 (쉐브론 케미컬 컴퍼니(Chevron Chemical Company) 또는 걸프 오일 컴퍼니 (Gulf Oil Company) 제품 등), 케트젠블랙 (Ketjen Black) EC 계열(아르막 컴퍼니 (Armak Company) 제품), 불칸 (Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼 P (엠엠엠(MMM)사 제품)등이 있다. 예를 들면 아세틸렌블랙, 카본블랙, 흑연 등을 들 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not cause a chemical change in an electrochemical device. In general, carbon black, graphite, carbon fiber, carbon nanotube, metal powder, conductive metal oxide, organic conductive material and the like can be used. Commercially available products as the conductive material include acetylene black series (manufactured by Chevron Chemical Co., (Chevron Chemical Company or Gulf Oil Company products), Ketjen Black EC series (Armak Company), Vulcan XC-72 (Cabot Company) and Super P (MM (MMM)). For example, acetylene black, carbon black and graphite.
상기 애노드는 애노드 활물질 및 바인더를 포함하는 애노드층이 집전체의 일면 또는 양면에 담지된 구조를 갖는다.The anode has a structure in which the anode layer including the anode active material and the binder is supported on one or both surfaces of the current collector.
상기 애노드 활물질로는 통상적으로 리튬 이온이 흡장 및 방출될 수 있는 리튬 금속, 탄소재, 금속 화합물 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.As the anode active material, a lithium metal, a carbonaceous material, a metal compound, or a mixture thereof may be used, in which lithium ions can be occluded and released.
구체적으로는 상기 탄소재로는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소(hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(meso-carbon microbeads), 액정피치(Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.Concretely, as the carbon material, both low-crystalline carbon and highly-crystalline carbon may be used. Examples of the low crystalline carbon include soft carbon and hard carbon. Examples of highly crystalline carbon include natural graphite, Kish graphite, pyrolytic carbon, liquid crystal pitch carbon fiber high temperature sintered carbon such as mesophase pitch based carbon fiber, meso-carbon microbeads, mesophase pitches and petroleum or coal tar pitch derived cokes.
상기 금속 화합물로는 Si, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Bi, Al, Ga, In, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Mg, Sr, Ba 등의 금속 원소를 1종 이상 함유하는 화합물을 들 수 있다. 이들 금속 화합물은 단체, 합금, 산화물(TiO2, SnO2 등), 질화물, 황화물, 붕화물, 리튬과의 합금 등, 어떤 형태로도 사용할 수 있지만, 단체, 합금, 산화물, 리튬과의 합금은 고용량화될 수 있다. 그 중에서도, Si, Ge 및 Sn으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유할 수 있고, Si 및 Sn으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 것이 전지를 더 고용량화할 수 있다.Examples of the metal compound include metal elements such as Si, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Bi, Al, Ga, In, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Mg, , And the like. These metal compounds may be a single substance, an alloy, an oxide (TiO 2 , SnO 2 Or the like), a nitride, a sulfide, a boride, an alloy with lithium, or the like, but an alloy with a single substance, an alloy, an oxide, and lithium can be increased in capacity. Among them, it may contain at least one element selected from Si, Ge and Sn, and it may further increase the capacity of the battery including at least one element selected from Si and Sn.
상기 캐소드 및 애노드에 사용되는 바인더는 캐소드 활물질 및 애노드 활물질을 집전체에 유지시키고, 또 활물질들 사이를 이어주는 기능을 갖는 것으로서, 통상적으로 사용되는 바인더가 제한 없이 사용될 수 있다.The binder used for the cathode and the anode has a function of holding the cathode active material and the anode active material in the current collector and also connecting the active materials, and a commonly used binder may be used without limitation.
예를 들면, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌 (PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴 풀루오라이드 (polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리메틸 메타크릴레이트 (polymethyl methacrylate), 스티렌-부타디엔 고무 (SBR, styrene butadiene rubber), 카르복실 메틸 셀룰로오스 (CMC, carboxyl methyl cellulose) 등의 다양한 종류의 바인더가 사용될 수 있다.For example, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-co-HFP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate various kinds of binders such as polymethyl methacrylate, styrene butadiene rubber (SBR), and carboxyl methyl cellulose (CMC) can be used.
상기 캐소드 및 상기 애노드에 사용되는 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 상기 활물질의 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 구체적으로 캐소드용 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 애노드용 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다. 또한, 상기 집전체는 상기 물질들로 이루어진 기재들을 적층하여 사용할 수도 있다.The current collector used for the cathode and the anode may be any metal having a high conductivity and a metal which can easily adhere to the slurry of the active material and is not reactive in the voltage range of the battery. Specifically, examples of the current collector for a cathode include aluminum, nickel, or a combination thereof. Examples of the current collector for an anode include copper, gold, nickel, or a copper alloy or a combination thereof And the like. In addition, the current collector may be used by laminating the substrates made of the above materials.
상기 캐소드 및 애노드는, 활물질, 도전재, 바인더, 고비점 용제를 이용해 혼련하여 전극 합제로 한 후, 이 합제를 집전체의 동박 등에 도포하여, 건조, 가압 성형한 후, 50℃ 내지 250℃ 정도의 온도로 2시간 정도 진공 하에서 가열 처리함으로써 각각 제조될 수 있다.The cathode and the anode are kneaded using an active material, a conductive material, a binder, and a high boiling point solvent to form an electrode mixture, and then the mixture is applied to a copper foil or the like of the current collector and dried and press- Respectively, for 2 hours under a vacuum.
또한, 상기 캐소드의 전극층의 두께(집전체 한 면당)는 30 내지 120 ㎛, 또는 50 내지 100 ㎛일 수 있고, 상기 애노드의 전극층의 두께는 1 내지 100 ㎛, 또는 3 내지 70 ㎛일 수 있다. 상기 캐소드 및 상기 애노드가 이러한 두께 범위를 만족하는 경우, 전극 재료층에서의 활물질량이 충분히 확보되어, 전지 용량이 작아지는 것을 방지할 수 있고, 사이클 특성이나 레이트 특성이 개선될 수 있다.The thickness of the electrode layer of the cathode (per one current collector) may be 30 to 120 占 퐉, or 50 to 100 占 퐉, and the thickness of the anode electrode layer may be 1 to 100 占 퐉, or 3 to 70 占 퐉. When the cathode and the anode satisfy such a thickness range, the amount of the active material in the electrode material layer is sufficiently secured, the battery capacity can be prevented from being reduced, and the cycle characteristics and rate characteristics can be improved.
그리고, 본 발명에 따른 세퍼레이터로는, 전기화학소자에 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.As the separator according to the present invention, any porous substrate used for an electrochemical device can be used. For example, a polyolefin porous membrane or a nonwoven fabric may be used, but the present invention is not limited thereto.
상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.Examples of the polyolefin-based porous film include polyolefin-based polymers such as polyethylene, polypropylene, polybutylene, and polypentene, such as high-density polyethylene, linear low-density polyethylene, low-density polyethylene and ultra-high molecular weight polyethylene, One membrane can be mentioned.
상기 부직포로는 폴리올레핀계 부직포 외에 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포를 들 수 있다. 부직포의 구조는 장섬유로 구성된 스폰본드 부직포 또는 멜트 블로운 부직포일 수 있다.The nonwoven fabric may include, in addition to the polyolefin nonwoven fabric, for example, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, polycarbonate ), Polyimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylenesulfide, and polyethylene naphthalene, which may be used alone or in combination, And nonwoven fabrics formed by mixing these polymers. The structure of the nonwoven fabric may be a spun bond nonwoven fabric or a meltblown nonwoven fabric composed of long fibers.
상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 5 내지 50 ㎛일 수 있고, 다공성 기재에 존재하는 기공 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.01 내지 50 ㎛ 및 10 내지 95 %일 수 있다.The thickness of the porous substrate is not particularly limited, but may be 5 to 50 μm, and the pore size and porosity present in the porous substrate are also not particularly limited, but may be 0.01 to 50 μm and 10 to 95%, respectively.
한편, 상기 다공성 기재로 구성된 세퍼레이터의 기계적 강도 향상 및 캐소드와 애노드 사이의 단락 억제를 위해, 상기 다공성 기재의 적어도 일면에, 무기물 입자와 고분자 바인더를 포함하는 다공성 코팅층을 더 포함할 수 있다.On the other hand, in order to improve the mechanical strength of the separator composed of the porous substrate and to prevent a short circuit between the cathode and the anode, a porous coating layer containing inorganic particles and a polymeric binder may be further provided on at least one surface of the porous substrate.
상기 다공성 코팅층에서는 고분자 바인더가 무기물 입자들이 서로 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 서로 부착(즉, 고분자 바인더가 무기물 입자 사이를 연결 및 고정)시키고 있으며, 또한 다공성 코팅층은 고분자 바인더에 의해 다공성 기재와 결착된 상태를 유지한다. 다공성 코팅층의 무기물 입자들은 실질적으로 서로 접촉한 상태로 최밀 충전된 구조로 존재하며, 무기물 입자들이 접촉된 상태에서 생기는 틈새 공간(interstitial volume)이 다공성 코팅층의 기공이 된다.In the porous coating layer, the polymer binder binds the inorganic particles together (that is, the polymer binder binds and fixes the inorganic particles) so that the inorganic particles can remain bonded to each other, and the porous coating layer binds the porous substrate with the polymer binder . The inorganic particles of the porous coating layer exist in a closely packed state in a state of being substantially in contact with each other, and the interstitial volume generated when the inorganic particles are in contact becomes the pores of the porous coating layer.
이때, 사용되는 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 상기 무기물 입자는 적용되는 전기화학소자의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는 경우 전기화학소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있다.At this time, the inorganic particles used are not particularly limited as long as they are electrochemically stable. That is, the inorganic particles are not particularly limited as long as the oxidation and / or reduction reaction does not occur in the operating voltage range of the applied electrochemical device (for example, 0 to 5 V based on Li / Li + ). Particularly, when inorganic particles having ion transfer ability are used, the ion conductivity in the electrochemical device can be increased to improve the performance.
또한, 무기물 입자로서 유전율이 높은 무기물 입자를 사용하는 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.When inorganic particles having a high dielectric constant are used as the inorganic particles, dissociation of an electrolyte salt, for example, a lithium salt, in the liquid electrolyte is also increased, and ion conductivity of the electrolyte can be improved.
전술한 이유들로 인해, 상기 무기물 입자는 유전율 상수가 5 이상, 또는 10 이상인 고유전율 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.For the reasons stated above, the inorganic particles may include high-permittivity inorganic particles having a dielectric constant of 5 or more, or 10 or more, inorganic particles having lithium ion-transporting ability, or a mixture thereof.
유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자의 비제한적인 예로는 BaTiO3, Pb(ZrxTi1 -x)O3 (PZT, 여기서 0 < x < 1), Pb1 - xLaxZr1 - yTiyO3 (PLZT, 여기서, 0 < x < 1, 0 < y < 1임), (1-x)Pb(Mg1 /3Nb2 /3)O3-xPbTiO3 (PMN-PT, 여기서 0 < x < 1), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, SiC, TiO2 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.Nonlimiting examples of inorganic particles having a dielectric constant of 5 or more include BaTiO 3 , Pb (Zr x Ti 1 -x ) O 3 (PZT, where 0 <x <1), Pb 1 - x La x Zr 1 - y Ti y O 3 (PLZT, where, 0 <x <1, 0 <y <1 Im), (1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3 -xPbTiO 3 (PMN-PT, where 0 < xO, x <1), hafnia (HfO 2 ), SrTiO 3 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO 2 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , SiC, TiO 2 May be used alone or in combination of two or more.
특히, 전술한 BaTiO3, Pb(ZrxTi1 -x)O3 (PZT, 여기서 0 < x < 1), Pb1 - xLaxZr1 -yTiyO3 (PLZT, 여기서, 0 < x < 1, 0 < y < 1임), (1-x)Pb(Mg1 /3Nb2 /3)O3 - xPbTiO3 (PMN-PT, 여기서 0 < x < 1), 하프니아(HfO2)와 같은 무기물 입자들은 유전율 상수 100 이상인 고유전율 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 일정 압력을 인가하여 인장 또는 압축되는 경우 전하가 발생하여 양쪽 면 간에 전위차가 발생하는 압전성(piezoelectricity)을 가짐으로써, 외부 충격에 의한 양(兩) 전극의 내부 단락 발생을 방지하여 전기화학소자의 안전성 향상을 도모할 수 있다. 또한, 전술한 고유전율 무기물 입자와 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자들을 혼용할 경우 이들의 상승 효과는 배가될 수 있다.In particular, the above-described BaTiO 3, Pb (Zr x Ti 1 -x) O 3 (PZT, where 0 <x <1), Pb 1 - x La x Zr 1 -y Ti y O 3 (PLZT, where 0 < x <1, 0 <y < 1 Im), (1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3 - x PbTiO 3 (PMN-PT, where 0 <x <1), hafnia ( HfO 2 ) exhibits a high dielectric constant with a dielectric constant of 100 or more, as well as a piezoelectricity in which a potential difference is generated between both surfaces due to the generation of charge when a certain pressure is applied to the piezoelectric element by being stretched or compressed. It is possible to prevent internal short-circuiting of both electrodes due to the impact, thereby improving the safety of the electrochemical device. Further, when the above-mentioned high-permittivity inorganic particles and inorganic particles having lithium ion transferring ability are mixed, their synergistic effect can be doubled.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 리튬 원소를 함유하되 리튬을 저장하지 아니하고 리튬 이온을 이동시키는 기능을 갖는 무기물 입자를 지칭하는 것으로서, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 입자 구조 내부에 존재하는 일종의 결함(defect)으로 인해 리튬 이온을 전달 및 이동시킬 수 있기 때문에, 전지 내 리튬 이온 전도도가 향상되고, 이로 인해 전지 성능 향상을 도모할 수 있다. 상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자의 비제한적인 예로는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트(LixAlyTiz(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 1, 0 < z < 3), 14Li2O-9Al2O3-38TiO2-39P2O5 등과 같은 (LiAlTiP)xOy 계열 glass (0 < x < 4, 0 < y < 13), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), Li3 .25Ge0 .25P0 .75S4 등과 같은 리튬게르마니움티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0 < x < 4, 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 < w < 5), Li3N 등과 같은 리튬나이트라이드(LixNy, 0 < x < 4, 0 < y < 2), Li3PO4-Li2S-SiS2 등과 같은 SiS2 계열 글래스(LixSiySz, 0 < x < 3, 0 < y < 2, 0 < z < 4), LiI-Li2S-P2S5 등과 같은 P2S5 계열 글래스(LixPySz, 0 < x < 3, 0 < y < 3, 0 < z < 7) 또는 이들의 혼합물 등이 있다.The inorganic particles having the lithium ion transferring ability refer to inorganic particles that contain a lithium element but do not store lithium but have a function of transferring lithium ions. The inorganic particles having lithium ion transferring ability exist in the particle structure Since lithium ions can be transferred and transferred due to a kind of defect, the lithium ion conductivity in the battery can be improved and the battery performance can be improved. Examples of the inorganic particles having lithium ion transferring ability include lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium titanium phosphate (Li x Ti y (PO 4 ) 3 , 0 <x <2, 0 <y < (Li x Al y Ti z (PO 4 ) 3 , 0 <x <2, 0 <y <1, 0 <z <3), 14Li 2 O-9Al 2 O 3 -38TiO 2 -39P 2 O 5 as such (LiAlTiP) x O y series glass (0 <x <4, 0 <y <13), lithium lanthanum titanate (Li x La y TiO 3, 0 <x <2, 0 <y <3 ), Li 3 .25 Ge 0 .25 P 0 .75 S 4 Lithium, such as germanium Mani help thiophosphate lithium nitro, such as (Li x Ge y P z S w, 0 <x <4, 0 <y <1, 0 <z <1, 0 <w <5), Li 3 N fluoride (Li x N y, 0 < x <4, 0 <y <2), Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 SiS 2 based glass, such as (Li x Si y S z, 0 <x <3 , 0 <y <2, 0 <z <4), LiI-Li 2 SP 2 S 5 There is P 2 S 5 based glass (Li x P y S z, 0 <x <3, 0 <y <3, 0 <z <7) or a mixture thereof as such.
그리고, 상기 다공성 코팅층 형성에 사용되는 고분자 바인더로는 당 업계에서 다공성 코팅층 형성에 통상적으로 사용되는 고분자를 사용할 수 있다. 특히, 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg)가 -200 내지 200℃인 고분자를 사용할 수 있는데, 이는 최종적으로 형성되는 다공성 코팅층의 유연성 및 탄성 등과 같은 기계적 물성을 향상시킬 수 있기 때문이다. 이러한 고분자 바인더는 무기물 입자들 사이를 연결 및 안정하게 고정시켜주는 바인더 역할을 충실히 수행함으로써, 다공성 코팅층이 도입된 세퍼레이터의 기계적 물성 저하 방지에 기여한다.As the polymer binder used for forming the porous coating layer, a polymer commonly used in the formation of the porous coating layer in the art can be used. In particular, a polymer having a glass transition temperature (T g ) of -200 to 200 ° C can be used because it can improve mechanical properties such as flexibility and elasticity of a finally formed porous coating layer. Such a polymer binder faithfully performs a binder function to connect and stably fix inorganic particles, thereby contributing to prevention of degradation of mechanical properties of the separator into which the porous coating layer is introduced.
또한, 고분자 바인더는 이온 전도 능력을 반드시 가질 필요는 없으나, 이온 전도 능력을 갖는 고분자를 사용할 경우 전기화학소자의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 따라서, 고분자 바인더는 가능한 유전율 상수가 높은 것을 사용할 수 있다. 실제로 전해액에서 염의 해리도는 전해액 용매의 유전율 상수에 의존하기 때문에, 상기 고분자의 유전율 상수가 높을수록 전해질에서의 염 해리도를 향상시킬 수 있다. 이러한 고분자 바인더의 유전율 상수는 1.0 내지 100 (측정 주파수 = 1 kHz) 범위가 사용 가능하며, 특히 10 이상일 수 있다.Further, the polymer binder does not necessarily have ion conductivity, but when the polymer having ion conductivity is used, the performance of the electrochemical device can be further improved. Therefore, a polymer binder having a high permittivity constant can be used. Actually, the dissociation degree of the salt in the electrolytic solution depends on the permittivity constant of the solvent of the electrolyte. Therefore, the higher the permittivity constant of the polymer, the better the salt dissociation degree in the electrolyte. The permittivity constant of such a polymeric binder may be in the range of 1.0 to 100 (measurement frequency = 1 kHz), in particular, 10 or more.
전술한 기능 이외에, 고분자 바인더는 액체 전해액 함침시 겔화됨으로써 높은 전해액 팽윤도(degree of swelling)를 나타낼 수 있는 특징을 가질 수 있다. 이에 따라, 고분자 바인더의 용해도 지수는 15 내지 45 MPa1 /2 또는 15 내지 25 MPa1 /2 및 30 내지 45 MPa1 /2 범위이다. 따라서, 폴리올레핀류와 같은 소수성 고분자들보다는 극성기를 많이 갖는 친수성 고분자들이 더 사용될 수 있다. 용해도 지수가 15 MPa1/2 미만 및 45 MPa1 /2를 초과할 경우, 통상적인 전지용 액체 전해액에 의해 팽윤(swelling)되기 어려울 수 있기 때문이다.In addition to the functions described above, the polymeric binder may be characterized by being capable of exhibiting a high degree of swelling of the electrolyte due to gelation upon impregnation with a liquid electrolyte. Accordingly, the solubility parameter of the polymeric binder is from 15 to 45 MPa 1/2 or 15 to 25 MPa 1/2, and 30 to 45 MPa 1/2 range. Therefore, hydrophilic polymers having many polar groups can be used more than hydrophobic polymers such as polyolefins. If the solubility is more than 1/2 and less than 15 MPa 45 MPa 1/2, because it can be difficult to swell (swelling) by conventional liquid electrolyte batteries.
이러한 고분자 바인더의 비제한적인 예로는 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌 (polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트 (polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드 (polyethylene oxide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 (cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란 (cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란 (pullulan) 및 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose)등을 들 수 있다.Non-limiting examples of such polymeric binders include polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene, polyvinylidene fluoride-co-trichlorethylene, poly But are not limited to, polymethylmethacrylate, polybutylacrylate, polyacrylonitrile, polyvinylpyrrolidone, polyvinylacetate, polyethylene-co- polyvinyl acetate, vinyl acetate, polyethylene oxide, polyarylate, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate, Cyanoethylpullulan, cyanoethylpolybi Cyanoethylpolyvinylalcohol, cyanoethylcellulose, cyanoethylsucrose, pullulan, and carboxyl methyl cellulose can be given.
그리고, 상기 무기물 입자와 고분자 바인더의 중량비는 50:50 내지 99:1, 또는 60:40 내지 90:10, 또는 70:30 내지 80:20일 수 있다.The weight ratio of the inorganic particles to the polymeric binder may be 50:50 to 99: 1, or 60:40 to 90:10, or 70:30 to 80:20.
또한, 무기물 입자와 고분자 바인더로 구성되는 다공성 코팅층의 두께는 특별한 제한이 없으나, 0.01 내지 20㎛ 범위일 수 있다. 또한, 기공 크기 및 기공도 역시 특별한 제한이 없으나, 기공 크기는 0.01 내지 10㎛ 범위일 수 있고, 기공도는 5 내지 90% 범위일 수 있다.The thickness of the porous coating layer composed of the inorganic particles and the polymer binder is not particularly limited, but may be in the range of 0.01 to 20 占 퐉. The pore size and porosity are also not particularly limited, but the pore size may be in the range of 0.01 to 10 mu m, and the porosity may be in the range of 5 to 90%.
본 발명의 일 측면에 따른 세퍼레이터는, 다공성 코팅층 성분으로 전술한 무기물 입자 및 고분자 바인더 이외에, 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다.The separator according to an aspect of the present invention may further include other additives in addition to the inorganic particles and the polymer binder described above as the porous coating layer component.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자는 전기 화학 반응을 하는 모든 소자를 포함하며, 구체적인 예를 들면, 모든 종류의 이차 전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 슈퍼 커패시터 소자와 같은 커패시터(capacitor) 등이 있다. 특히, 상기 이차 전지 중 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등을 포함하는 리튬 이차전지가 바람직하다.Meanwhile, the electrochemical device according to an embodiment of the present invention includes all devices that perform an electrochemical reaction, and specific examples thereof include capacitors such as all types of secondary cells, fuel cells, solar cells, or super- ). Particularly, a lithium secondary battery including a lithium metal secondary battery, a lithium ion secondary battery, a lithium polymer secondary battery, or a lithium ion polymer secondary battery among the above secondary batteries is preferable.
한편, 본 발명의 전기화학소자는, 전극조립체를 전지케이스에 수납하고, 전지케이스 내에 비수 전해액을 주입한 후에, 전지케이스의 개방 상단에 전극 단자가 형성되어 있는 탑 캡을 결합하여 제작한다.On the other hand, the electrochemical device of the present invention is manufactured by inserting an electrode assembly into a battery case, injecting a non-aqueous electrolyte into the battery case, and then joining a top cap having electrode terminals formed at the open upper end of the battery case.
이때 상기 비수 전해액은 전해질 염과 유기용매를 포함할 수 있으며, 상기 전해질 염은 리튬염이다. 상기 리튬염은 리튬 이차전지용 비수 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- , CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.Here, the non-aqueous electrolyte may include an electrolyte salt and an organic solvent, and the electrolyte salt is a lithium salt. The lithium salt may be any of those conventionally used for non-aqueous electrolytes for lithium secondary batteries. For example is the above lithium salt anion F -, Cl -, Br - , I -, NO 3 -, N (CN) 2 -, BF 4 -, ClO 4 -, PF 6 -, (CF 3) 2 PF 4 -, (CF 3) 3 PF 3 -, (CF 3) 4 PF 2 -, (CF 3) 5 PF -, (CF 3) 6 P -, CF 3 SO 3 -, CF 3 CF 2 SO 3 - , (CF 3 SO 2) 2 N -, (FSO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, (SF 5) 3 C -, ( CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - .
전술한 비수 전해액에 포함되는 유기용매로는 리튬 이차전지용 비수 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.Examples of the organic solvent included in the non-aqueous electrolyte include those commonly used in non-aqueous electrolytes for lithium secondary batteries, such as ether, ester, amide, linear carbonate, cyclic carbonate, etc., Or more.
그 중에서 대표적으로는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 또는 이들의 혼합물인 카보네이트 화합물을 포함할 수 있다.Among them, a carbonate compound which is typically a cyclic carbonate, a linear carbonate, or a mixture thereof may be included.
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 혼합물이 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, Propylene carbonate, 2,3-pentylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, and halides thereof, or a mixture of two or more thereof. Examples of such halides include, but are not limited to, fluoroethylene carbonate (FEC) and the like.
또한 상기 선형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Specific examples of the linear carbonate compound include any one selected from the group consisting of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate and ethyl propyl carbonate And mixtures of two or more of them may be used as typical examples, but the present invention is not limited thereto.
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 particular, ethylene carbonate and propylene carbonate, which are cyclic carbonates in the carbonate-based organic solvent, are high-viscosity organic solvents having a high dielectric constant and can dissociate the lithium salt in the electrolyte more easily. In addition, such cyclic carbonates can be used as dimethyl carbonate and diethyl carbonate When a low viscosity, low dielectric constant linear carbonate is mixed in an appropriate ratio, an electrolyte having a higher electric conductivity can be produced.
또한, 상기 유기용매 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 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.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 mixture of two or more thereof may be used , But is not limited thereto.
그리고 상기 유기용매 중 에스테르로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the ester in the organic solvent include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate,? -Butyrolactone,? -Valerolactone,? -Caprolactone,? -Valerolactone, ε-caprolactone, or a mixture of two or more thereof, but the present invention 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.The injection of the nonaqueous electrolyte solution can be performed at an appropriate stage of the manufacturing process of the electrochemical device according to the manufacturing process and required properties of the final product. That is, it can be applied before assembling the electrochemical device or in the final stage of assembling the electrochemical device.
그리고, 전기화학소자의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형 또는 파우치(pouch)형 등이 될 수 있다.The outer shape of the electrochemical device is not particularly limited, but may be a cylindrical shape, a square shape, a pouch shape, or the like using a can.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
Claims (8)
상기 전기화학소자에 가해지는 충격을 흡수하는 다공성 권심 부재가, 상기 전극조립체의 권심에 삽입되어 있는 전기화학소자.An electrode assembly manufactured by winding a cathode, an anode, and a separator interposed between the cathode and the anode, is an electrochemical device embedded in a battery case,
Wherein a porous core member for absorbing an impact applied to the electrochemical device is inserted into the core of the electrode assembly.
상기 다공성 권심 부재의 기공도는, 20 내지 80 %인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.The method according to claim 1,
Wherein the porosity of the porous core member is 20 to 80%.
상기 다공성 권심 부재의 직경은, 1 내지 10 mm인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.The method according to claim 1,
And the diameter of the porous core member is 1 to 10 mm.
상기 다공성 권심 부재는, 금속, 세라믹 및 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기화학소자.The method according to claim 1,
Wherein the porous core member is made of any one selected from the group consisting of metals, ceramics and polymers, or a mixture of two or more thereof.
상기 금속은, Al, In, Sn, Pb, Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Pt, Cr, Mn, Zn 및 Ti로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.5. The method of claim 4,
The metal may be any one selected from the group consisting of Al, In, Sn, Pb, Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Pt, Cr, Mn, Zn and Ti or a mixture of two or more thereof Characterized in that the electrochemical device.
상기 세라믹은, Al2O3-SiO2계 세라믹, 산화물계 세라믹, 탄화물계 세라믹 및 질화물계 세라믹으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.5. The method of claim 4,
Wherein the ceramic is any one selected from the group consisting of Al 2 O 3 -SiO 2 ceramics, oxide ceramics, carbide ceramics and nitride ceramics, or a mixture of two or more thereof.
상기 고분자는, 아크릴로니트릴 부타디엔 스타이렌 공중합체(ABS), 아크릴로니트릴 에틸아크릴레이트 스타이렌 공중합체(AES), 폴리카보네이트(PC), 아크릴로니트릴 스타이렌 공중합체(SAN), 아크릴로니트릴 스타이렌 아크릴레이트 공중합체(ASA), 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(ETFE), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 카보네이트(PEC), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리아미드(PA), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리우레탄(PU), 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE), 폴리설폰(PSU), 폴리페닐렌 옥사이드(PPO) 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.5. The method of claim 4,
The polymer may be selected from the group consisting of acrylonitrile butadiene styrene copolymer (ABS), acrylonitrile ethyl acrylate styrene copolymer (AES), polycarbonate (PC), acrylonitrile styrene copolymer (SAN), acrylonitrile (PE), polyethylene carbonate (PEC), polyphthalamide (PPA), polyamide (PA), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene terephthalate ) Selected from the group consisting of polyethylene terephthalate (PET), polyurethane (PU), thermoplastic polyester elastomer (TPEE), polysulfone (PSU), polyphenylene oxide (PPO) and polyvinylidene fluoride Or a mixture of two or more thereof.
상기 전기화학소자는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.The method according to claim 1,
Wherein the electrochemical device is a lithium secondary battery.
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KR20130066722A KR20140144583A (en) | 2013-06-11 | 2013-06-11 | Electrochemical device including a porous core element |
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