KR20170071881A - 발화 억제 코팅층 포함하는 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

발화 억제 코팅층 포함하는 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20170071881A
KR20170071881A KR1020150180058A KR20150180058A KR20170071881A KR 20170071881 A KR20170071881 A KR 20170071881A KR 1020150180058 A KR1020150180058 A KR 1020150180058A KR 20150180058 A KR20150180058 A KR 20150180058A KR 20170071881 A KR20170071881 A KR 20170071881A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
secondary battery
coating layer
metal substrate
ignition
Prior art date
Application number
KR1020150180058A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101872309B1 (ko
Inventor
이정우
정규성
박찬기
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020150180058A priority Critical patent/KR101872309B1/ko
Publication of KR20170071881A publication Critical patent/KR20170071881A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101872309B1 publication Critical patent/KR101872309B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621—Binders
    • H01M4/622—Binders being polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y02E60/122—

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)

Abstract

본 발명은 집전체 상에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제가 코팅되어 있는 이차전지용 전극으로서, 집전체로서의 금속 기재; 및 상기 금속 기재의 일면 또는 양면에 국부적으로 코팅되어 있고, 상기 금속 기재 보다 상대적으로 낮은 도전성을 가지며 전극 활물질로부터 유래된 산소를 흡수하는 산소 흡수제를 포함하여 발화를 억제하는 발화 억제 코팅층;을 포함하는 이차전지용 전극을 제공한다.

Description

발화 억제 코팅층 포함하는 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지 {Electrode for Secondary Battery Having Coating Layer of Preventing Combustion and Secondary Battery Comprising the Same}
본 발명은 이차전지용 전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극 활물질로부터 유래된 산소를 흡수하는 산소 흡수제를 포함하여 발화를 억제하는 발화 억제 코팅층을 포함하는 이차전지용 전극에 관한 것이다.
최근 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 1개 내지 4개의 전지셀들이 사용됨에 비해, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지모듈이 사용된다.
전지셀들은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하며, 높은 집적도로 충전될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 이차전지, 형상 조절이 용이한 파우치형 이차전지 등이 소형 모바일 기기 또는 중대형 디바이스의 전지셀로서 주로 사용되고 있다.
그러나, 이러한 이차전지에는 각종 가연성 물질들이 내장되어 있어서, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 발열, 폭발 등의 위험성이 있으므로, 안전성에 큰 단점을 가지고 있다.
예를 들어, 침상 부재를 관통시키거나, 압착, 충격을 가할 경우, 전극 활물질과 집전체의 접촉에 의해 과도한 전류가 흐르는 바, 단락열이 발생하고, 상기 단락열에 의해 양극재 및 음극재가 붕괴되면서 내부온도를 더욱 상승시킨다.
이에, 전극 저항을 높여 단락전류를 감소시키거나, 난연성 물질을 전극 합제에 포함시키는 등 다양한 방법이 시도되었으나, 전극 합제의 저항을 직접적으로 높이는 경우, 출력 특성이 저하되며, 활물질의 양이 상대적으로 감소하여 용량 특성이 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 전극의 저항을 직접적으로 높이지 않으면서도, 간편하고 효율적으로 발화를 억제하여, 이차전지의 안전성을 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전극 활물질로부터 유래된 산소를 흡수하는 산소 흡수제를 포함함으로써 발화를 억제하는 발화 억제 코팅층을 집전체로서의 금속 기재의 일면 또는 양면에 국부적으로 코팅하여, 내부 단락에 의해 전지셀의 온도가 상승하는 경우에도 발화 및 폭발이 억제되는 이차전지용 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 또한, 상기 이차전지용 전극을 포함하여 열안전성이 향상된 전극조립체 및 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 이차전지용 전극은,
집전체 상에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제가 코팅되어 있는 이차전지용 전극으로서,
집전체로서의 금속 기재; 및
상기 금속 기재의 일면 또는 양면에 국부적으로 코팅되어 있고, 상기 금속 기재 보다 상대적으로 낮은 도전성을 가지며 전극 활물질로부터 유래된 산소를 흡수하는 산소 흡수제를 포함하여 발화를 억제하는 발화 억제 코팅층;
을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지용 전극은 집전체의 일면 또는 양면에 국부적으로 형성되어 있는 발화 억제 코팅층에 의해 내부 단락에 의한 발화 내지 폭발을 방지한다.
이차전지용 전극은 일반적으로, 집전체에 전극 합제를 도포하여 제조되며, 외부 충격, 고온 등에 의해 전극 합제에 포함되어 있는 전극 활물질과 상대 전극 집전체가 접촉하는 경우, 순간적으로 과도한 전류가 흐르는 바, 단락열이 발생한다.
이때 발생된 단락열에 의해 전극 활물질이 분해되면서 다량의 산소가 발생하며, 전해질 기타 가연성 물질이 연소되는 바, 이차전지용 전극은 외부 충격, 침상 관통, 고온 조건 등에서 발화 내지 화재의 위험이 있다.
이에, 본 발명에 따른 이차전지용 전극은 활물질이 분해되면서 발생된 산소를 흡수하는 산소 흡수제를 포함하는 발화 억제 코팅층을 포함하여, 산소의 발생을 즉각적으로 차단하는 바, 발화를 억제하고 나아가 이차전지의 열안전성을 향상시킨다.
상기 전극 활물질은 양극에 포함되는 양극 활물질과 음극에 포함되는 음극 활물질로 나뉘어지며, 양극 활물질로는 일반적으로 리튬 금속 산화물, 리튬 금속 포스페이트 등이 사용되고, 음극 활물질로는 탄소 및 흑연 재료, 리튬 금속, 리튬 합금, 리튬 금속 산화물 등이 사용된다.
구체적으로, 상기 전극 활물질은 리튬 이온의 흡장 및 방출이 가능한 리튬 금속 산화물일 수 있다.
이러한 리튬 금속 산화물은 전해액에 포함되어 있는 리튬 이온의 흡장 및 방출이 가능하며, 충전 전위가 상승할수록 전지의 용량은 증가되지만 화합물의 구조적 안전성은 저하된다.
또한, 충방전이 진행되면서 셀의 내부 온도가 상승하며, 특히 외부 충격 등에 의해 단락열이 발생하는 경우 셀의 내부 온도가 급격하게 증가하는 바, 활물질의 구조가 붕괴되면서 다량의 산소를 발생시킨다. 발생된 산소는 셀을 구성하는 전해액 기타 가연성 물질과 반응하면서 화재를 일으킬 위험이 있다.
이러한 위험을 사전에 차단할 수 있도록, 본 발명에 따른 이차전지용 전극은 활물질로부터 유래된 산소를 흡수하는 산소 흡수제를 포함하는 발화 억제 코팅층을 집전체의 일면 또는 양면에 코팅한다.
더욱 구체적으로, 상기 리튬 금속 산화물은 니켈(Ni), 코발트(Co), 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 원소를 포함하는 리튬 전이금속 산화물일 수 있다.
상기 리튬 전이금속 산화물은, 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 하나 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 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 전극 합제에는 도전성 향상, 결착력 향상 등을 목적으로 전극 활물질 이외에 선택적으로 도전재, 바인더, 충진제 등이 포함될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 합제는 도전재를 포함하고 있을 수 있다.
이러한 도전재는 통상적으로 전극 합제 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 30 중량%로 첨가되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 물질이 사용된다.
예를 들어, 그라파이트; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 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. 시판되고 있는 도전재의 구체적인 예로는 아세틸렌 블랙 계열인 쉐브론 케미칼 컴퍼니(Chevron Chemical Company)나 덴카 블랙(Denka Singapore Private Limited), 걸프 오일 컴퍼니(Gulf Oil Company) 제품 등), 케트젠블랙(Ketjenblack), EC 계열(아르막 컴퍼니(Armak Company) 제품), 불칸(Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼(Super) P(Timcal 사 제품) 등이 있다.
이와 같은 도전재는 전극 합제층의 도전성을 향상시키며, 본 발명에 따른 이차전지용 전극의 경우, 산소 흡수제를 전극 합제에 포함시키지 않는 바, 전극 합제 슬러리 내에서 도전재의 분산을 더욱 용이하게 할 수 있다.
즉, 특별히 제한되는 것은 아니나, 본 발명에 따른 이차전지용 전극은 전극 합제 슬러리에 산소 흡수제를 포함하지 않고, 도전재를 포함하는 바, 전극 합제층의 도전성을 높게 유지할 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 전극 합제 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 30 중량%로 첨가된다.
이러한 바인더의 비제한적인 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 제한되지 않는다.
이러한 충진제는, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용될 수 있다.
이와 같이, 전극 활물질과 함께, 도전재, 바인더, 충진제를 선택적으로 포함하여 용매에 분산시킨 전극 합제는 집전체의 일면 또는 양면에 도포되어 이차전지용 전극으로 제조된다.
상기 집전체는 일반적으로 3 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께로 만들어지며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 전성(展性)이 우수한 금속 기재인 것이 바람직하다.
집전체로서의 금속 기재는, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다.
또한, 금속 기재의 표면에 미세한 요철을 형성하여 전극 합제층과의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하며, 하나의 구체적인 예에서, 상기 금속 기재는 금속 호일(foil)일 수 있다.
즉, 금속 기재의 형태를 특별히 제한하는 것은 아니나, 발화 억제 코팅층을 용이하게 형성할 수 있도록, 얇은 금속판의 형태로 사용되는 것이 바람직하다. 집전체와 전극 합제층의 접착력을 향상시킬 수 있도록, 상기 금속 호일에 요철을 형성할 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 이차전지용 전극은, 이러한 금속 기재 상에 전극 합제를 코팅하기 이전에, 전극 활물질로부터 유래된 산소를 흡수하는 산소 흡수제를 포함하는 발화 억제 코팅층을 국부적으로 코팅하여, 안전성을 향상시킨다.
상기 산소 흡수제는 당류 및 폴리알킬렌글리콜으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 당류는 오탄당 및/또는 육탄당으로 이루어진 다당류를 포함하며, 상기 폴리알킬렌글리콜은 탄소수가 1 내지 6인 폴리알킬렌글리콜로서, 구체적으로 폴리에틸렌글리콜, 에틸렌비닐알콜, 및 폴리비닐알콜으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이, 이러한 산소 흡수제는 내부 단락에 의해 활물질의 구조가 붕괴되면서 발생하는 산소를 흡수하는 바, 화재를 예방할 수 있다.
한편, 상기와 같은 산소 흡수제를 포함하고 있으므로, 발화 억제 코팅층은 전극 합제층 또는 집전체보다 상대적으로 낮은 도전성을 가진다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 전극은 발화 억제 코팅층은 금속 기재에 국부적으로 형성되어 있으며, 하나의 구체적인 예에서, 상기 발화 억제 코팅층은 금속 기재의 전체 표면적을 기준으로 1% 내지 50% 범위에서 코팅되어 있을 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 도전성이 낮은 발화 억제 코팅층의 면적이 50%를 초과하는 경우, 금속 기재가 집전체로서의 역할을 하기 어려우며, 1% 미만인 경우, 발화 억제에 의한 열 안전성 향상 등의 효과를 얻기 어려우므로 바람직하지 않다.
같은 이유로, 발화 억제 코팅층은 상세하게는 5% 내지 45% 범위, 더욱 상세하게는 10% 내지 40% 범위 내로 코팅되어 있을 수 있다.
금속 기재에 국부적으로 형성되어 있는 발화 억제 코팅층의 형상은, 금속 기재의 일측으로 편향되어 형성되어 있을 수도 있으나, 집전체 상에서 전체적으로 고른 도전성을 확보하기 위해 일정한 패턴으로 균일하게 분포되어 형성되어 있는 것이 바람직하다.
즉, 금속 기재 상에는, 상기 발화 억제 코팅층이 형성되어 있지 않은 무지부와 발화 억제 코팅층이 형성되어 있는 코팅부가 반복적인 패턴 형상을 이루고 있을 수 있다.
상기와 같이 무지부와 코팅부가 반복적인 패턴 형상을 이루고 있지 않은 경우, 발화 억제 코팅층이 형성되지 않는 무지부에 전류가 집적되어 발열이 일어날 수 있으며, 무지부의 면적이 넓을수록, 발화 억제 효과가 미치지 않는 부분이 생기는 바, 바람직하지 않다.
이러한 패턴 형상의 구체적인 예로서, 상기 금속 기재는 평면상으로 장방형 구조로 이루어져 있고, 장방형 금속 기재의 장변을 기준으로 수직 방향, 또는 수평 방향, 또는 사선 방향으로 무지부와 코팅부가 일정한 폭의 직선 형태로 교번 배열되어 패턴 형상을 이루고 있을 수 있다.
또 다른 구체적인 예로서, 발화 억제 코팅층은 상기 금속 기재의 중심으로부터 방사형으로 무지부와 코팅부가 교번 배열되어 패턴 형상을 이루고 있을 수 있다.
또 다른 구체적인 예로서, 상기 코팅부는 다각형 또는 원형의 평면 구조를 가지고 있고, 복수의 코팅부들이 일정한 간격으로 이격 배열되어 패턴 형상을 이루고 있을 수 있다.
이러한 발화 억제 코팅층의 패턴 형상에 대해서는 이후에 더욱 상세히 설명하도록 한다.
한편, 발화 억제 코팅층의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니나, 100 nm 내지 1 ㎛ 일 수 있으며, 표면 형태는 균일한 두께를 가지는 막(film)의 형태이거나 불균일한 두께를 가지는 클러스터(cluster)의 형태일 수 있다.
이 중, 클러스터 타입의 발화 억제 코팅층은 높은 비표면적을 가지므로 막 타입의 발화 억제 코팅층보다 집전체 및 전극 합제층 사이에 우수한 접착력을 제공할 수 있다.
또한, 상기 발화 억제 코팅층은 집전체와 전극 합제의 접착력을 향상시키는 바인더 고분자를 포함하고 있을 수 있다.
이러한 바인더 고분자는 발화 억제 코팅층을 형성하는 슬러리 고형분의 1 중량% 내지 30 중량% 범위 내로 포함될 수 있으며, 앞서 설명한 전극 합제 내에 포함되는 바인더 고분자와 동일한 화합물일 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다.
상기와 같이 산소 흡수제를 포함하고, 바인더 고분자를 선택적으로 포함하는 발화 억제 코팅층은 집전체로서 금속 기재의 일면 또는 양면에 형성될 수 있으며, 바람직하게는 양면에 형성된다.
상기 발화 억제 코팅층은, 예를 들어, 산소 흡수제와 바인더 고분자 물질를 소정의 휘발성 용매에 분산시켜 코팅액을 제조한 후, 금속 기재에 상기 코팅액을 패턴 코팅하고 건조하여 형성될 수 있다. 상기 휘발성 용매의 예로는 NMP, 물, 메틸이소부틸케톤, 이소프로판올 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
발화 억제 코팅층을 형성하기 위한 코팅액의 농도 및 용매를 조절하여 클러스터 타입으로 코팅층을 형성하는 경우, 코팅층은 소정 표면 조도의 미세한 요철을 가지는 바, 전극 합제층과의 결합력을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지용 전극은 양극 및/또는 음극일 수 있다. 즉, 금속 기재 상에 형성되는 발화 억제 코팅층은 양극 또는 음극 중 어느 하나에 적용될 수 있고, 양극과 음극에 모두 적용될 수도 있다.
본 발명은 또한, 복수의 전극들과, 상기 전극들 사이에 개재되어 인접한 전극들을 전기적으로 절연시키는 분리막으로 이루어진 전극조립체로서, 제 1 항에 따른 이차전지용 전극을 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.
상기 전극들 각각은,
집전체로서의 금속 기재; 및
상기 금속 기재의 일면 또는 양면에 국부적으로 코팅되어 있고, 상기 금속 기재 보다 상대적으로 낮은 도전성을 가지며 전극 활물질로부터 유래된 산소를 흡수하는 산소 흡수제를 포함하여 발화를 억제하는 발화 억제 코팅층;
을 포함하는 구조일 수 있다.
즉, 전극조립체를 구성하는 전극들 모두 발화 억제 코팅층을 포함하고 있을 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 일부에만 포함되어 있는 경우, 최외곽에 위치하는 전극들은 특히 침상 관통에 의한 내부단락에 취약하므로, 상기 발화 억제 코팅층을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 전지 케이스에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 및 상기 이차전지를 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 복수의 이차전지들을 포함하고 있고, 상기 복수의 이차전지들 중에서 중심부에 위치한 이차전지들 중의 적어도 하나의 이차전지는,
집전체로서의 금속 기재; 및
상기 금속 기재의 일면 또는 양면에 국부적으로 코팅되어 있고, 상기 금속 기재 보다 상대적으로 낮은 도전성을 가지며 전극 활물질로부터 유래된 산소를 흡수하는 산소 흡수제를 포함하여 발화를 억제하는 발화 억제 코팅층;
을 포함하고 있는 전극을 구비하고 있는 것이 바람직하다.
즉, 복수의 이차전지를 포함하고 있는 전지팩의 경우, 충방전이 진행됨에 따라 열이 축적되어 중심부에 위치한 이차전지의 온도가 과도하게 상승할 수 있고, 이에 따라 전극 활물질이 분해되어 산소가 발생할 수 있으므로, 산소 흡수제를 포함하는 발화 억제 코팅층을 포함하는 것이 바람직하다.
이때, 중심부에 위치한 이차전지들 모두 발화 억제 코팅층을 포함하는 전극을 구비하거나, 전지팩에 포함되어 있는 이차전지들 모두 발화 억제 코팅층을 포함하는 전극을 구비할 수 있음은 물론이다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스의 구체적인 예로는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 웨어러블 기기와 등과 같은 소형 디바이스 뿐만 아니라, 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 등과 같은 대형 디바이스도 포함된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 플렉서블 전극의 제조 방법은, 금속 기재 보다 상대적으로 낮은 도전성을 가지며, 전극 활물질의 구조가 붕괴되면서 유래된 산소를 흡수하는 산소 흡수제를 패턴 코팅한 발화 억제 코팅층을 포함하는 바, 전극 합제 슬러리 특성을 저하시키지 않고, 소정의 도전성을 유지하면서도, 발화 내지 폭발을 억제하여 안전성을 향상시키며, 집전체와의 접촉 면적을 증가시켜 매끈한 금속 기재에 전극 합제를 도포하는 경우 보다 전극 합제층과 집전체의 접착력이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예로서, 이차전지용 전극을 모식적으로 나타낸 단면도이다;
도 2는 도 1에 도시되어 있는 집전체의 구체적인 예로서, 장변을 기준으로 수직 방향으로 발화 억제 코팅층이 형성되어 있는 집전체를 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 3은 도 2에 도시되어 있는 집전체를 모식적으로 나타낸 평면도이다;
도 4는 도 1에 도시되어 있는 집전체의 또 다른 구체적인 예로서, 장변을 기준으로 수평 방향으로 발화 억제 코팅층이 형성되어 있는 집전체를 모식적으로 나타낸 평면도이다;
도 5는 도 1에 도시되어 있는 집전체의 또 다른 구체적인 예로서, 중심으로부터 사각 방사형으로 무지부와 코팅부가 교번 배열되어 있는 발화 억제 코팅층이 형성되어 있는 집전체를 모식적으로 나타낸 평면도이다;
도 6는 도 1에 도시되어 있는 집전체의 또 다른 구체적인 예로서, 발화 억제 코팅층이 육각 방사형으로 패턴 코팅되어 있는 집전체를 모식적으로 나타낸 평면도이다;
도 7는 도 1에 도시되어 있는 집전체의 또 다른 구체적인 예로서, 발화 억제 코팅층이 사각형으로 패턴 코팅되어 있는 집전체를 모식적으로 나타낸 평면도이다; 및
도 8은 도 1에 도시되어 있는 집전체의 또 다른 구체적인 예로서, 발화 억제 코팅층이 원형으로 패턴 코팅되어 있는 집전체를 모식적으로 나타낸 평면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 전극을 측면에서 바라본 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 이차전지용 전극(100)은 전극 활물질을 포함하는 전극 합제(110)가 집전체(120)의 양면에 형성되어 있다. 경우에 따라, 전극 합제(110)는 집전체(120)의 일면에만 형성되어 있을 수도 있으며, 양면에 전극 합제(110)가 형성되어 있지 않은 전극 합제 미코팅부(120')도 포함될 수 있다.
집전체(120)를 구성하는 도전성 금속 기재(121)의 양면에는 산소 흡수제를 포함하는 발화 억제 코팅층(130)을 포함하고 있으며, 이러한 발화 억제 코팅층(130)은 집전체의 일면에만 형성 될 수도 있음은 물론이다.
한편, 전극 합제(110)가 코팅되지 않은 전극 합제 미코팅부(120')는 활물질층과의 도전성을 확보할 필요가 없고, 내부 단락의 여지가 있으므로 발화 억제 코팅층(130)을 전체적으로 코팅하는 것이 바람직하다.
반면에, 전극 합제(110)가 코팅된 부위에는 소정의 도전성을 확보하기 위해, 발화 억제 코팅층(130)이 금속 기재(121) 상에 국부적으로 코팅되는 바, 이하에서는 발화 억제 코팅층(130)의 코팅 형상에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.
도 2 및 도 3에는 도 1에 도시되어 있는 집전체의 구체적인 예로서, 장변을 기준으로 수직 방향으로 발화 억제 코팅층이 형성되어 있는 집전체의 사시도 및 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 집전체(120)는 장방형의 금속 기재(121)의 장변과 수직 방향으로 형성된 패턴 형상으로 발화 억제 코팅층(130)을 포함하고 있다.
구체적으로, 발화 억제 코팅층(130)은 코팅이 되어 있는 코팅부(132)와, 코팅이 되어있지 않은 무지부(134)가 일정한 폭의 직선 형태로 교번 배열되어 있는 구조로 이루어져 있다.
또한, 도 3의 경우 코팅부(132)와 무지부(134)가 금속 기재(121)의 장변을 기준으로, 수직 방향으로 직선 교번 배열 되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4에는 도 1에 도시되어 있는 집전체의 또 다른 구체적인 예로서, 장변을 기준으로 수평 방향으로 발화 억제 코팅층이 형성되어 있는 집전체의 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3과 함께 도 4를 참조하면, 도 3과는 달리 도 4의 발화 억제 코팅층(130)은 금속 기재(121)의 장변과 평행한 방향으로 형성된 패턴으로 이루어져 있다.
이와 같이 무지부와 코팅부는 직선 형태로 교번 배열되어 있을 수 있고, 전체적으로 균일한 도전성을 확보할 수 있는 것이면 형성 방향은 특별히 제한되지 않는다.
도 5 및 도 6에는 도 1에 도시되어 있는 집전체의 또 다른 구체적인 예로서, 방사형으로 무지부와 코팅부가 교번 배열되어 있는 발화 억제 코팅층이 형성되어 있는 집전체의 평면도들이 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 집전체(120)의 발화 억제 코팅층(130)은 금속 기재(121)의 중심부(131)로부터 사각 방사형으로 무지부와 코팅부가 교번 배열되어 패턴 형상을 이루고 있다.
도 6을 참조하면, 집전체(120)의 발화 억제 코팅층(130)은 금속 기재(121)상에 복수의 중심부들(131, 133, 135, 137)로부터 육각 방사형으로 무지부와 코팅부가 교번 배열되어 패턴 형상을 이루고 있다.
도 7 및 도 8에는 도 1에 도시되어 있는 집전체의 또 다른 구체적인 예로서, 발화 억제 코팅층이 사각형 및 원형으로 패턴 코팅되어 있는 집전체의 평면도들이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 집전체(120)의 발화 억제 코팅층(130)은 일정한 형상의 코팅부들이 소정 간격으로 이격 배열되어 패턴 형상을 이루고 있다.
구체적으로, 도 7에서는 사각형 코팅부(132a)가 이격 배열되어 패턴 형상을 이루고 있으며, 도 8에서는 원형 코팅부(132b)가 이격 배열되어 패턴 형상을 이루고 있다.
이와 같이, 발화 억제 코팅층은 금속 기재 상에 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 일정한 간격으로 배열되어 전체적으로 균일한 도전성을 확보하는 것이 바람직하다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 집전체 상에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제가 코팅되어 있는 이차전지용 전극으로서,
    집전체로서의 금속 기재; 및
    상기 금속 기재의 일면 또는 양면에 국부적으로 코팅되어 있고, 상기 금속 기재 보다 상대적으로 낮은 도전성을 가지며 전극 활물질로부터 유래된 산소를 흡수하는 산소 흡수제를 포함하여 발화를 억제하는 발화 억제 코팅층;
    을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 활물질은 리튬 이온의 흡장 및 방출이 가능한 리튬 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 리튬 금속 산화물은 니켈(Ni), 코발트(Co), 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 원소를 포함하는 리튬 전이금속 산화물인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 합제는 도전재를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 기재는 금속 호일(foil)인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 산소 흡수제는 당류 및 폴리알킬렌글리콜으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 발화 억제 코팅층은 금속 기재의 전체 표면적을 기준으로 1% 내지 50% 범위에서 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 발화 억제 코팅층이 형성되어 있지 않은 무지부와 발화 억제 코팅층이 형성되어 있는 코팅부가 반복적인 패턴 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 금속 기재는 평면상으로 장방형 구조로 이루어져 있고, 장방형 금속 기재의 장변을 기준으로 수직 방향, 또는 수평 방향, 또는 사선 방향으로 무지부와 코팅부가 일정한 폭의 직선 형태로 교번 배열되어 패턴 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 금속 기재의 중심으로부터 방사형으로 무지부와 코팅부가 교번 배열되어 패턴 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 코팅부는 다각형 또는 원형의 평면 구조를 가지고 있고, 복수의 코팅부들이 일정한 간격으로 이격 배열되어 패턴 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 발화 억제 코팅층은 집전체와 전극 합제의 접착력을 향상시키는 바인더 고분자를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전극은 양극 및/또는 음극인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  14. 복수의 전극들과, 상기 전극들 사이에 개재되어 인접한 전극들을 전기적으로 절연시키는 분리막으로 이루어진 전극조립체로서, 제 1 항에 따른 이차전지용 전극을 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 전극들 각각은,
    집전체로서의 금속 기재; 및
    상기 금속 기재의 일면 또는 양면에 국부적으로 코팅되어 있고, 상기 금속 기재 보다 상대적으로 낮은 도전성을 가지며 전극 활물질로부터 유래된 산소를 흡수하는 산소 흡수제를 포함하여 발화를 억제하는 발화 억제 코팅층;
    을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  16. 제 14 항에 따른 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 전지 케이스에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  17. 제 16 항에 따른 이차전지를 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 전지팩은 복수의 이차전지들을 포함하고 있고, 상기 복수의 이차전지들 중에서 중심부에 위치한 이차전지들 중의 적어도 하나의 이차전지는,
    집전체로서의 금속 기재; 및
    상기 금속 기재의 일면 또는 양면에 국부적으로 코팅되어 있고, 상기 금속 기재 보다 상대적으로 낮은 도전성을 가지며 전극 활물질로부터 유래된 산소를 흡수하는 산소 흡수제를 포함하여 발화를 억제하는 발화 억제 코팅층;
    을 포함하고 있는 전극을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제 17 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
KR1020150180058A 2015-12-16 2015-12-16 발화 억제 코팅층 포함하는 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지 KR101872309B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150180058A KR101872309B1 (ko) 2015-12-16 2015-12-16 발화 억제 코팅층 포함하는 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150180058A KR101872309B1 (ko) 2015-12-16 2015-12-16 발화 억제 코팅층 포함하는 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170071881A true KR20170071881A (ko) 2017-06-26
KR101872309B1 KR101872309B1 (ko) 2018-06-28

Family

ID=59282285

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150180058A KR101872309B1 (ko) 2015-12-16 2015-12-16 발화 억제 코팅층 포함하는 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101872309B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110233239A (zh) * 2019-07-15 2019-09-13 珠海格力电器股份有限公司 电池电极、电池、电池组、电动交通工具及电器
CN114464908A (zh) * 2022-04-13 2022-05-10 四川新能源汽车创新中心有限公司 用于锂离子电池的三维多孔涂层及其制备和应用

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220131673A (ko) * 2021-03-22 2022-09-29 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지용 세퍼레이터 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050046430A (ko) * 2003-11-14 2005-05-18 주식회사 엘지화학 안전성이 향상된 리튬 이차 전지
KR20130118268A (ko) * 2012-04-19 2013-10-29 주식회사 엘지화학 다층 구조 전극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050046430A (ko) * 2003-11-14 2005-05-18 주식회사 엘지화학 안전성이 향상된 리튬 이차 전지
KR20130118268A (ko) * 2012-04-19 2013-10-29 주식회사 엘지화학 다층 구조 전극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110233239A (zh) * 2019-07-15 2019-09-13 珠海格力电器股份有限公司 电池电极、电池、电池组、电动交通工具及电器
CN114464908A (zh) * 2022-04-13 2022-05-10 四川新能源汽车创新中心有限公司 用于锂离子电池的三维多孔涂层及其制备和应用
CN114464908B (zh) * 2022-04-13 2022-08-12 四川新能源汽车创新中心有限公司 用于锂离子电池的三维多孔涂层及其制备和应用

Also Published As

Publication number Publication date
KR101872309B1 (ko) 2018-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101359900B1 (ko) 신규한 폴리머 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
JP5387011B2 (ja) リチウムイオン二次電池用負極およびこれを用いたリチウムイオン二次電池
KR101689496B1 (ko) 비수 전해액계 이차 전지
EP2706605B1 (en) Electrode assembly having a novel structure and secondary battery using same
EP3080858B1 (en) Battery
JP5957947B2 (ja) 双極型電極およびこれを用いた双極型リチウムイオン二次電池
US20060019151A1 (en) Non-aqueous electrolyte battery
US20090047575A1 (en) Cell and battery incorporating the cell
EP2838150B1 (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP2007109636A (ja) 電池用電極
KR101872309B1 (ko) 발화 억제 코팅층 포함하는 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 이차전지
KR101393534B1 (ko) 신규 구조 전극조립체 및 이를 이용한 이차전지
KR101283331B1 (ko) 일체형 전극조립체 및 이를 이용한 이차전지
KR102525677B1 (ko) 리튬 이차 전지
KR102298022B1 (ko) 강화 시트를 포함하는 전지셀 및 그것을 포함하는 전지팩
JP5228273B2 (ja) リチウムイオン二次電池
KR101323153B1 (ko) 신규 구조 전극조립체 및 이를 이용한 이차전지
EP3232491A1 (en) Lithium secondary battery
KR102553087B1 (ko) 리튬 이차 전지
KR20230151259A (ko) 안전성이 향상된 리튬 이차전지
KR20240013936A (ko) 안전성이 향상된 리튬 이차전지
KR20230055420A (ko) 안전성이 향상된 이차전지
KR20140050545A (ko) 리튬 이온 이차 전지용 정극

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination