KR20150015306A - 출력 및 사이클 특성이 향상된 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전해액; 및 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로서 다공성 발포체를 포함하는 전극조립체;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 제공한다.

Description

출력 및 사이클 특성이 향상된 이차전지 {Secondary Battery Having Improved Power and Cycle Property}
본 발명은 출력 및 사이클 특성이 향상된 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
일반적인 리튬 이차전지의 조립은 양극, 음극 및 분리막을 서로 번갈아가며 겹친 후, 일정 크기 및 모양의 캔(can) 또는 파우치(pouch)로 이루어진 전지 케이스에 삽입한 후, 최종적으로 전해액을 주입하는 방식으로 진행된다. 이때, 나중에 주입된 전해액은 모세관 힘(capillary force)에 의해 양극, 음극 및 분리막 사이로 스며들게 된다.
그러나, 최근에는 디바이스 또는 장치가 대형화 됨에 따라 전지의 용량 및 크기 면에서 더욱 큰 전지가 지속적인 요구 사항이 되고 있으나, 이와 같이 하는 경우 전해액 주입의 문제가 수반된다. 즉, 전해액이 침투할 부피는 감소하고 면적은 넓어짐에 따라 전해액이 전지 내부까지 들어가지 못하고 외부에 국부적으로만 존재할 가능성이 높게 된다. 이렇게 제조된 전지는 전지 내부에서 부분적으로 전해액의 양이 충분하지 않게 되어 전지 용량 및 성능이 크게 감소하게 된다.
특히, 리튬 이차전지의 양극 활물질로서, LiMnO2, LiMn2O4 등의 리튬 망간 산화물을 이용하는 경우에는, LiMnO2, LiMn2O4의 초기 용량이 작고, 특히 일정한 용량에 이를 때까지 수십 회의 충방전 사이클이 필요한 바, 초기에 충분한 전해액이 필요하다.
또한, LiMnO2, LiMn2O4은 수십 회의 충방전 사이클이 계속됨에 따라 전해액과 반응하여 가스를 발생하는 한편, 망간의 용출 등으로 인해 이차전지의 사이클 특성이 급격히 저하되므로, 초기 전해액의 함유량은 매우 중요한 문제점으로 대두되고 있다.
따라서, LiMnO2, LiMn2O4 등의 리튬 망간 산화물을 포함하는 이차전지에서, 전해액 함유량을 높이고, 초기 충방전 사이클의 용량 저하를 방지하는 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, 분리막으로서 다공성 발포체를 이용하는 경우, 소망하는 효과를 달성할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 전해액; 및 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로서 다공성 발포체를 포함하는 전극조립체;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다공성 발포체는 45% 이상 내지 95% 이하의 기공율을 가질 수 있고, 상세하게는 48% 이상 내지 70% 이하의 기공율을 가질 수 있다.
또한, 상기 다공성 발포체의 기공의 직경은 전해액의 함침성을 고려하여, 0.01 마이크로미터 이상 내지 5000마이크로미터 이하일 수 있으며, 상세하게는 0.1.마이크로미터 이상 내지 1000 마이크로미터 이하일 수 있다.
하나의 비제한적인 예에서, 상기 다공성 발포체는 발포제를 사용하여 발포시킨 부직포 또는 다공성 폴리머 시트일 수 있다.
상기 부직포 또는 폴리머 시트의 예로서, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌, 폴리테트라 플루오로에틸렌, 폴리플루오린화비닐리덴, 폴리염화비닐, 폴리아크릴로나이트릴, 셀룰로오스, 나일론, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레트, 폴리우레탄 및 유리로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 형성 되는 것일 수 있으며, 상세하게는, 높은 기공율을 가지는 폴리우레탄으로 형성 되는 것일 수 있으나, 이것들로 한정되는 것은 아니다.
상기 발포제는 납, 아연, 카드뮴, 아조(azo, -N=N-) 계열 화합물, 카보네이트 계열 화합물, 하이드라자이드 계열 화합물, 니트릴 계열 화합물, 아민 계열 화합물, 아마이드 계열 화합물 및 카바자이드 게열 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
하나의 비제한적인 예에서, 상기 양극은 양극 활물질로서, 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 리튬 전이금속 산화물을 포함할 수 있다.
LixMyMn2-yO4-zAz(1)
상기 식에서,
M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이며;
A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이고;
0.9≤x≤1.2, 0<y<2, 0≤z<0.2이다.
(1-x)LiM’O2-yAy -xLi2MnO3-y’Ay’(2)
상기 식에서,
M’은 MnaMb이고;
M은 Ni, Ti, Co, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zr, Zn 및 2주기 전이금속들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며;
A는 PO4, BO3, CO3, F 및 NO3의 음이온으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고;
0<x<1, 0<y≤0.02, 0<y’≤0.02, 0.5≤a≤1.0, 0≤b≤0.5, a + b = 1이다.
상기 음극은 음극 활물질로서, 탄소계 물질, 및/또는 Si을 포함할 수 있다.
하나의 비제한적인 예에서, 상기 이차전지는 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 또는 리튬 폴리머 전지일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 제조하는 방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 방법은, (i) 베이스 기재의 원료 물질, 바인더, 발포제 및 용매를 혼합하여 기재를 형성한 후, 발포시켜 다공성 발포체를 형성하는 과정;
(ii) 과정(i)의 다공성 발포체를 양극과 음극 사이에 개재하여 전극조립체를 제조하는 과정; 및
(iii) 과정(ii)의 전극조립체를 전지케이스에 넣고 전해액을 주입한 후 밀봉하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기재는 부직포 또는 다공성 폴리머 시트일 수 있다.
바인더는 원료물질들 상호간의 결합을 위해 첨가되는 것으로, 종래 통상적으로 사용된 바인더들이 제한 없이 사용될 수 있는데, 아크릴계 바인더 수지, 우레탄계 바인더 수지, NBR 및 SBR 등이 대표적으로 사용될 수 있다. 상기 바인더는 바인더를 과량 첨가시 바인더가 원료물질들 사이의 기공을 막아 공극률을 낮출 수 있으므로, 이러한 점을 고려할 때, 상기 다공성 발포체에서의 원료 물질 및 바인더의 함량 비는 중량 기준으로 1 : 0.5 내지 1.0일 수 있다.
용매는 바인더를 용해시킬 수 있고 건조 단계에서 용이하게 제거될 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 용매는 건조 단계를 거쳐 제거되므로, 그 첨가량이 특별히 제한되지는 않는다.
상기 발포제는 납, 아연, 카드뮴, 아조(azo, -N=N-) 계열 화합물, 카보네이트 계열 화합물, 하이드라자이드 계열 화합물, 니트릴 계열 화합물, 아민 계열 화합물, 아마이드 계열 화합물 및 카바자이드 게열 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
하나의 비제한적인 예에서, 상기 발포제의 함량은 베이스 기재의 원료 물질과 발포제 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 중량% 이상 내지 10 중량% 이하일 수 있다.
한편, 상기 제조방법은 상기 과정(i) 이전에 베이스 기재를 연신시키는 과정을 포함할 수도 있다.
본 발명은, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩, 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
이 때, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템일 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는, 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로서 다공성 발포체를 포함하는 전극조립체를 포함하고 있어, 발포체가 형성하는 높은 기공률로 전해액의 함유량을 높일 수 있고, 반복되는 충방전 사이클으로 인한 전해액이 고갈 되는 경우에도, 종래의 분리막보다 전해액 함유량이 높기 때문에 이차전지의 성능 저하를 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극에 개재되는 분리막 및 리튬염 함유 비수 전해질을 포함하는 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 또는 리튬 폴리머 전지일 수 있는 바, 상기 이차전지의 기타 성분들에 대해 이하에서 자세히 설명한다.
상기 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물인 전극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은, 상기 화학식 1 또는 2로 표현되는 리튬 전이금속 산화물 외에, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; LiNixMn2-xO4로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 포함할 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 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 50 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 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 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, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물 등을 사용할 수 있고, 상세하게는 탄소계 물질 및/또는 Si을 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 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 리튬염 함유 비수 전해질은, 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있고, 비수 전해질로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
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, 상기 리튬염 함유 비수 전해질에는 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, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩, 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
이 때, 상기 디바이스의 구체적인 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.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (20)

  1. 전해액; 및
    양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로서 다공성 발포체를 포함하는 전극조립체;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 발포체는 45% 이상 내지 95% 이하의 기공율을 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 다공성 발포체는 48% 이상 내지 70% 이하의 기공율을 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 발포체의 기공의 직경은 0.1마이크로미터 이상 내지 1000마이크로미터 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 발포체는 발포제를 사용하여 발포시킨 부직포 또는 다공성 폴리머 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 부직포 또는 다공성 폴리머 시트는 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌, 폴리테트라 플루오로에틸렌, 폴리플루오린화비닐리덴, 폴리염화비닐, 폴리아크릴로나이트릴, 셀룰로오스, 나일론, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레트, 폴리우레탄 및 유리로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 부직포 또는 다공성 폴리머 시트는 폴리우레탄으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 발포제는 아조(azo, -N=N-) 계열 화합물, 카보네이트 계열 화합물, 하이드라자이드 계열 화합물, 니트릴 계열 화합물, 아민 계열 화합물, 아마이드 계열 화합물 및 카바자이드 게열 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 양극은 양극 활물질로서, 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지:
    LixMyMn2-yO4-zAz(1)
    상기 식에서,
    M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이며;
    A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이고;
    0.9≤x≤1.2, 0<y<2, 0≤z<0.2이다.


    (1-x)LiM’O2-yAy -xLi2MnO3-y’Ay’(2)
    상기 식에서,
    M’은 MnaMb이고;
    M은 Ni, Ti, Co, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zr, Zn 및 2주기 전이금속들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며;
    A는 PO4, BO3, CO3, F 및 NO3의 음이온으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고;
    0<x<1, 0<y≤0.02, 0<y’≤0.02, 0.5≤a≤1.0, 0≤b≤0.5, a + b = 1이다.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 음극은 음극 활물질로서, 탄소계 물질, 및/또는 Si을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 또는 리튬 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 1 항에 따른 이차전지를 제조하는 방법으로서,
    (i) 베이스 기재의 원료 물질, 바인더, 발포제 및 용매를 혼합하여 기재를 형성한 후, 발포시켜 다공성 발포체를 형성하는 과정;
    (ii) 과정(i)의 다공성 발포체를 양극과 음극 사이에 개재하여 전극조립체를 제조하는 과정; 및
    (iii) 과정(ii)의 전극조립체를 전지케이스에 넣고 전해액을 주입한 후 밀봉하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 기재는 부직포 또는 다공성 폴리머 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 발포제는 아조(azo, -N=N-) 계열 화합물, 카보네이트 계열 화합물, 하이드라자이드 계열 화합물, 니트릴 계열 화합물, 아민 계열 화합물, 아마이드 계열 화합물 및 카바자이드 게열 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 발포제의 함량은 베이스 기재의 원료 물질과 발포제 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1중량% 이상 내지 10중량% 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 과정(i) 이전에 베이스 기재를 연신시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  17. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  18. 제 17 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제 18 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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