KR20190009242A - Cathode for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리튬이차전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 특정 전압에서 가스를 발생시켜 리튬이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 리튬이차전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a positive electrode for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same, and more particularly, to a positive electrode for a lithium secondary battery capable of improving the safety of the lithium secondary battery by generating a gas at a specific voltage, .
전자, 통신, 컴퓨터 산업 등의 급속한 발전에 힘입어 기기의 소형, 경량화 및 고기능화와 함께, 캠코더, 휴대폰, 노트북 PC 등 휴대용 전자제품의 사용이 일반화됨으로써, 가볍고 오래 사용할 수 있으며 신뢰성이 높은 전지에 대한 요구가 높아지고 있다. 특히, 충전가능한 리튬이차전지는 기존의 납축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지 등과 비교할 때 단위 중량당 에너지 밀도가 높고, 급속 충전할 수 있기 때문에 국내외에서 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.The use of portable electronic products such as camcorders, mobile phones, and notebook PCs has become common due to the small size, light weight, and high functionality of devices due to rapid development of electronics, communication, and computer industries. Demand is rising. In particular, the rechargeable lithium secondary battery has a high energy density per unit weight and can be rapidly charged as compared with conventional lead batteries, nickel-cadmium batteries, nickel-hydrogen batteries and nickel-zinc batteries, .
최근, 리튬이차전지의 고에너지 밀도화 및 저가화를 위해 고용량 활물질, 박막 분리막(thin separator) 및 고전압 구동과 같은 기술이 더욱 개발되어 적용됨에 따라 과충전이 문제되고 있으며, 과충전 상황에서 발화, 폭발 이슈에 대한 해결이 필요하다. 특히 리튬이차전지는 가연성인 유기용매를 사용하고 있기 때문에 전지가 과충전되는 등에 의해 비정상적인 상태가 되었을 때의 안전성을 확보해 둘 필요가 있다. In recent years, overcharging has been a problem due to the development and application of high capacity active material, thin separator, and high voltage driving technology for high energy density and low cost of lithium secondary batteries. In the overcharging situation, A solution is needed. In particular, since lithium secondary batteries use an organic solvent which is flammable, it is necessary to secure safety when the battery becomes abnormal due to overcharging or the like.
이를 위해, 과충전 종료 전압에서 전지 내압의 상승에 의해 작동하는 압력 CID(Current Interrupt Device)와 같은 전지 내부의 안전 장치를 마련하고, 또한 전지에 탄산리튬(Li2CO3)을 첨가해 CID를 작동시킬 수 있을 정도로 전지 내압을 상승시키는 기술이 특허문헌 1을 포함한 다양한 문헌에 제안되어 있다. To this end, a safety device inside the battery, such as a pressure CID (Current Interrupt Device), which is operated by an increase in the battery internal pressure, is provided at the overcharge end voltage, and lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) A technique for raising the internal pressure of the battery to such an extent that it can be made is proposed in various documents including Patent Document 1.
그런데 특허문헌 1에서 탄산리튬은 양극 활물질층 내에 균일하게 존재하고 있다. 여기서 탄산리튬은 통상의 충방전 시에는 저항으로서 작용한다. 따라서 특허문헌 1에 기재된 전지에서는 통상의 충방전 시에 내부 저항의 상승을 일으키는 문제가 있다.However, in Patent Document 1, lithium carbonate is uniformly present in the positive electrode active material layer. Here, lithium carbonate acts as a resistor in a normal charge / discharge cycle. Therefore, the battery described in Patent Document 1 has a problem of causing an increase in internal resistance at the time of normal charge / discharge.
더구나, 특허문헌 1에서는 사이클 후에 저항이 증가하는 문제점이 발생한다. 사이클 후에 저항이 증가하는 경우, 국부적으로 가스가 발생하여 전극 기공 내에 가스가 축적되고, 그 결과 계면 저항이 증가함에 따라 사이클 성능 저하로 이어질 가능성이 있다. Moreover, in Patent Document 1, there arises a problem that the resistance increases after the cycle. When the resistance increases after the cycle, gas is locally generated and accumulated in the pores of the electrode, and as a result, there is a possibility that cycle performance may be deteriorated as the interfacial resistance increases.
특허문헌 1을 개선한다고 하여도 탄산리튬으로부터 가스가 충분하게 발생하지 않거나, 혹은 양극 저항이 예측보다 크게 증가하지 않아 과충전 종료 전압까지 도달하는 데 많은 시간이 걸려, 전지 안전성 확보에 충분하지 않은 문제점이 있는 것으로 알려져 있다. Even if the patent document 1 is improved, it takes a long time to generate sufficient gas from the lithium carbonate, or the anode resistance does not increase much more than expected, and it takes a long time to reach the overcharge end voltage, .
뿐만 아니라, 종래에는 양극 활물질층 내에 탄산리튬이 존재하기 때문에, 전지 용량을 발생시키는 활물질 함량이 감소하게 되어, 에너지 밀도가 감소하는 문제가 있다.In addition, since lithium carbonate is present in the positive electrode active material layer in the prior art, there is a problem that the active material content causing the battery capacity is reduced and the energy density is reduced.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 과충전 상황에서 리튬이차전지의 안전성을 확보하는 리튬이차전지용 양극을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a positive electrode for a lithium secondary battery securing the safety of a lithium secondary battery in an overcharged state.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 이러한 양극을 포함한 리튬이차전지를 제공하는 것이다.Another object to be solved by the present invention is to provide a lithium secondary battery including such a positive electrode.
본 발명에 따른 리튬이차전지용 양극은, 양극 집전체; 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 형성되어 있는 양극 활물질 코팅부; 및 상기 양극 집전체에서 상기 양극 활물질 코팅부가 형성되어 있지 않은 양극 무지부에만 형성되어 있으며, 가스발생제 입자들, 바인더 고분자 및 도전재를 포함하는 가스발생층을 포함한다. A positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention includes: a positive electrode collector; A cathode active material coating portion formed on at least one surface of the cathode current collector; And a gas generating layer formed only on the cathode uncoated portion where the cathode active material coating portion is not formed in the cathode current collector and including the gas generating agent particles, the binder polymer, and the conductive material.
상기 가스발생층은 상기 양극 활물질 코팅부와 이격되어 형성되어 있는 것이 바람직하다.The gas generating layer may be spaced apart from the cathode active material coating portion.
상기 가스발생제 입자들은 탄산리튬(Li2CO3), 탄산칼슘(CaCO3), 리튬옥살레이트(C2Li2O4), 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.The gas generating agent particles may include lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), calcium carbonate (CaCO 3 ), lithium oxalate (C 2 Li 2 O 4 ), or a mixture of two or more thereof.
상기 가스발생층은 상기 바인더 고분자에 의해 상기 가스발생제 입자들이 서로 연결 및 고정되어 있고, 상기 가스발생제 입자들간의 빈 공간으로 인해 형성된 기공을 갖는 다공성 구조인 것이 바람직하다. It is preferable that the gas generating layer is a porous structure having the pores formed by the void spaces between the gas generating agent particles and the gas generating agent particles being connected and fixed to each other by the binder polymer.
상기 가스발생층은 하나의 통합된 층이면서 표면에 일부러 형성한 요철 구조를 갖는 것이거나, 가스 이동 경로를 형성하도록 상기 양극 무지부를 일부 노출시키게 패터닝되어 있는 층일 수도 있다.The gas generating layer may have a concavo-convex structure formed integrally with the surface and being integrally formed on the surface, or may be a layer patterned to partially expose the positive electrode uncoated portion to form a gas movement path.
일 실시예에서, 상기 양극 집전체는 폭보다 길이가 긴 시트(sheet)이고, 상기 양극 활물질 코팅부는 상기 양극 집전체의 일면에 형성되어 있는 제1 양극 활물질층; 및 상기 양극 집전체의 일면 반대측 타면에 형성되어 있고 상기 양극 집전체의 길이 방향으로 상기 제1 양극 활물질층보다 더 길게 형성되어 종결된 제2 양극 활물질층을 포함하며, 상기 가스발생층은 상기 양극 집전체의 일면에서 상기 제1 양극 활물질층이 형성되어 있지 않은 양극 무지부에 형성되어 있는 제1 가스발생층을 포함한다.In one embodiment, the cathode current collector is a sheet longer than the width, and the cathode active material coating portion includes a first cathode active material layer formed on one surface of the cathode current collector; And a second cathode active material layer formed on the other surface of the cathode current collector on the opposite side of the first cathode active material layer and being formed longer than the first cathode active material layer in the longitudinal direction of the cathode current collector, And a first gas generating layer formed on a positive electrode uncoated portion where the first positive electrode active material layer is not formed on one surface of the current collector.
이 경우, 상기 제1 가스발생층은 상기 제1 양극 활물질층에 상기 양극 집전체의 길이 방향으로 인접하게 형성되어 있으면서 상기 양극 집전체의 폭 방향으로 상기 제1 양극 활물질층과 동일한 폭으로 형성되어 있을 수 있다. 그리고, 상기 제1 가스발생층은 상기 제2 양극 활물질층이 종결된 위치에 대응되는 곳까지 형성되어 있을 수 있다.In this case, the first gas generating layer is formed in the first cathode active material layer in the longitudinal direction of the cathode current collector, and is formed to have the same width as the first cathode active material layer in the width direction of the cathode current collector Can be. The first gas generating layer may be formed to correspond to a position where the second cathode active material layer is terminated.
다른 실시예에서, 상기 가스발생층은 상기 양극 집전체의 타면에서 상기 제2 양극 활물질층이 형성되어 있지 않은 양극 무지부에 형성되어 있는 제2 가스발생층을 더 포함한다. In another embodiment, the gas generating layer further includes a second gas generating layer formed on the other surface of the cathode current collector on the anode uncoated portion where the second cathode active material layer is not formed.
이 경우에 상기 제2 가스발생층은 상기 제2 양극 활물질층에 상기 양극 집전체의 길이 방향으로 인접하게 형성되어 있으면서 상기 양극 집전체의 폭 방향으로 상기 제2 양극 활물질층과 동일한 폭으로 형성되어 있을 수 있다. 그리고, 상기 제2 가스발생층은 상기 제1 가스발생층이 종결된 위치에 대응되는 곳까지 형성되어 있을 수 있다. In this case, the second gas generating layer is formed adjacent to the second cathode active material layer in the longitudinal direction of the cathode current collector, and is formed to have the same width as the second cathode active material layer in the width direction of the cathode current collector Can be. The second gas generating layer may be formed to correspond to a position where the first gas generating layer is terminated.
본 발명에 따른 리튬이차전지는 본 발명에 따른 리튬이차전지용 양극; 음극 집전체와 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 형성되어 있는 음극 활물질 코팅부를 포함하는 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체를 포함하는 것이다. The lithium secondary battery according to the present invention is a positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention; A negative electrode including a negative electrode current collector and a negative electrode active material coating portion formed on at least one side of the negative electrode current collector; And an electrode assembly including a separator interposed between the anode and the cathode.
바람직한 실시예에서, 상기 양극은 본 발명에 따른 리튬이차전지용 양극의 일 실시예에서와 같이 폭보다 길이가 긴 시트의 양극 집전체를 포함하는 것이다. 상기 음극도 상기 양극 집전체에 대응되는 시트의 음극 집전체를 포함하는 것으로 한다. 상기 음극 집전체의 적어도 일면에는 음극 활물질 코팅부가 형성되어 있다. 상기 전극조립체는 상기 양극과 음극 사이에 상기 분리막을 개재하여, 상기 양극 집전체 및 음극 집전체의 일 측에서부터 상기 양극 집전체 및 음극 집전체의 길이 방향을 따라 권취한 것이다. In a preferred embodiment, the positive electrode includes a positive electrode collector of a sheet longer than the width as in the embodiment of the positive electrode for a lithium secondary battery according to the present invention. And the negative electrode includes a negative electrode current collector of the sheet corresponding to the positive electrode current collector. An anode active material coating portion is formed on at least one surface of the anode current collector. The electrode assembly is wound between the positive electrode and the negative electrode with the separator interposed therebetween and wound from one side of the positive electrode collector and the negative electrode collector along the longitudinal direction of the positive electrode collector and the negative electrode collector.
상기 전극조립체는 권취형, 스택형, 스택 앤 폴딩형 등으로 제조될 수 있으나, 특히 상기 전극조립체는 권취형 전극조립체이고 상기 양극의 가스발생층은 상기 전극조립체의 최외곽부에 위치할 수 있다.In particular, the electrode assembly may be a wound electrode assembly, and the gas generating layer of the anode may be located at an outermost portion of the electrode assembly. The electrode assembly may be a wound type, a stack type, a stack and a folding type, .
본 발명에 따르면, 리튬이차전지의 과충전 상황에서, 양극 집전체의 양극 무지부에 형성되어 있는 가스발생층에서 발생하는 가스로 인해 리튬이차전지가 과충전 종료 전압에 신속하게 도달함으로써 리튬이차전지의 안전성이 확보될 수 있게 된다. According to the present invention, in a situation where the lithium secondary battery is overcharged, the lithium secondary battery quickly reaches the overcharge end voltage due to the gas generated in the gas generating layer formed in the positive electrode uncoated portion of the positive electrode collector, Can be secured.
또한, 전지 내압이 신속하게 증가하므로, 압력 CID와 같은 전지 내부의 안전 장치가 작동하여 과충전을 효과적으로 제한할 수 있다.Further, since the battery internal pressure increases quickly, the safety device inside the battery such as the pressure CID operates, thereby effectively limiting overcharging.
또한, 과충전 종료 전압에 도달하는 시간이 단축됨으로써 안전성이 향상된 리튬이차전지가 제공된다. In addition, the time required for reaching the overcharge end voltage is shortened, thereby providing a lithium secondary battery improved in safety.
또한, 양극 집전체의 양극 무지부에만 가스발생층이 더 형성되도록 한 구성이므로, 목적하는 용량을 구현하기 위한 양극 활물질 로딩량을 감소시키지 않는 장점이 있다.Further, since the gas generating layer is further formed only on the positive electrode uncoated portion of the positive electrode current collector, there is an advantage that the amount of the positive electrode active material loaded for realizing the desired capacity is not reduced.
본 발명에서, 가스발생층은 양극 활물질 코팅부와 이격되어 형성될 수 있다. 따라서, 가스발생층이 통상의 충방전 시에 저항으로서 작용하지 않는다. 따라서 가스발생층이 통상의 충방전 시에 내부 저항의 상승을 일으키지 않는다. 뿐만 아니라, 사이클 후에 저항이 증가하지 않는다. In the present invention, the gas generating layer may be formed apart from the cathode active material coating portion. Therefore, the gas generating layer does not act as a resistor at the time of normal charge / discharge. Therefore, the gas generating layer does not increase the internal resistance at the time of normal charge / discharge. In addition, the resistance does not increase after the cycle.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 리튬이차전지용 양극의 길이 방향 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극의 길이 방향 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극의 길이 방향 단면도이다.
도 5는 본 발명의 리튬이차전지용 양극에 포함되는 가스발생층의 일 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 리튬이차전지용 양극에 포함되는 가스발생층의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 리튬이차전지의 전극조립체를 설명하기 위한 도면들이다.
도 9 및 도 10은 실시예와 비교예의 전극 저항 평가결과를 나타낸 그래프들이다.
도 11은 실시예와 비교예 전지의 AC 저항 평가결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 실시예와 비교예 전지의 충방전 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 13은 실시예와 비교예 전지의 과충전 안전성을 평가한 그래프이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate exemplary embodiments of the invention and, together with the description of the invention, It should not be construed as limited.
1 is a perspective view of a positive electrode for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
2 is a longitudinal sectional view of the positive electrode for a lithium secondary battery shown in Fig.
3 is a longitudinal cross-sectional view of a positive electrode for a lithium secondary battery according to another embodiment of the present invention.
4 is a longitudinal cross-sectional view of a positive electrode for a lithium secondary battery according to another embodiment of the present invention.
5 is a view showing an example of a gas generating layer included in a positive electrode for a lithium secondary battery of the present invention.
6 is a view showing another example of the gas generating layer included in the positive electrode for a lithium secondary battery of the present invention.
7 and 8 are views for explaining an electrode assembly of a lithium secondary battery according to the present invention.
Figs. 9 and 10 are graphs showing the electrode resistance evaluation results of Examples and Comparative Examples. Fig.
11 is a graph showing the results of AC resistance evaluation of Examples and Comparative Examples.
12 is a graph showing the charging / discharging profile of the embodiment and comparison battery.
13 is a graph for evaluating overcharge safety of Examples and Comparative Examples.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the embodiments of the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 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. 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. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.
또한, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이고 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 가리킨다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. In addition, the shapes and the like of the elements in the drawings are exaggerated in order to emphasize a clearer description, and the same reference numerals denote the same elements. Throughout the specification, when an element is referred to as " comprising ", it means that it can include other elements, not excluding other elements unless specifically stated otherwise.
리튬이차전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬이차전지는, 이러한 양극 활물질이 양극 집전체에 코팅된 양극과, 음극 활물질이 음극 집전체에 코팅된 음극이, 분리막을 사이에 두고 배치된 전극조립체와, 이 전극조립체를 전해질과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스(외장재)를 구비한다. 보통은 전극조립체에 리튬염 함유 전해액을 함침시켜 전지 케이스에 밀봉 수납한다. The lithium secondary battery mainly uses a lithium oxide and a carbonaceous material as a cathode active material and an anode active material, respectively. The lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a cathode in which such a cathode active material is coated on a cathode current collector and a cathode in which a cathode active material is coated on an anode current collector are disposed with a separation membrane interposed therebetween, (Outer case). Normally, the electrode assembly is impregnated with a lithium salt-containing electrolytic solution and sealed in a battery case.
전지 종류는 전지 케이스의 외형에 따라 원통형 전지 혹은 각형 전지로 나누어지며, 전극조립체의 종류는 권취형, 스택형, 스택 앤 폴딩형 등으로 되어 있다. 보통은 집전체의 양면에 활물질이 코팅되고, 이 때, 집전체에는 활물질이 코팅되지 않은 무지부가 형성되며 이 무지부에 탭이 부착될 수 있다. 다양한 양태 중 양극 집전체의 양면에 코팅된 양극 활물질이 상이한 지점에서 종결된 양태가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. The type of the battery is divided into a cylindrical battery or a prismatic battery according to the outer shape of the battery case, and the types of the electrode assembly are a winding type, a stack type, a stack and a folding type, and the like. Normally, the active material is coated on both sides of the current collector. At this time, the current collector is formed with an uncoated portion which is not coated with the active material, and the tab may be attached to the uncoated portion. Embodiments in which the cathode active material coated on both sides of the anode current collector in various aspects are terminated at different points is shown in Figs.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 리튬이차전지용 양극의 길이 방향 단면도이다. 도 2는 도 1의 A-A' 단면에 해당한다. FIG. 1 is a perspective view of a positive electrode for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the positive electrode for a lithium secondary battery shown in FIG. 2 corresponds to A-A 'in Fig.
도 1 및 도 2를 참조하면, 양극(100)은 양극 집전체(110) 및 양극 집전체(110) 상에 양극 활물질층(121, 122)이 형성된 양극 활물질 코팅부(120)를 포함한다. 양극 집전체(110)는 폭(W)보다 길이(L)가 긴 시트이고, 양극 활물질 코팅부(120)는 도시한 바와 같이 양극 집전체(110)의 일부에 코팅된다. 양극 집전체(110)의 일면(111)에 제1 양극 활물질층(121)이 형성되어 있고, 양극 집전체(110)의 일면(111) 반대측 타면(112)에 제2 양극 활물질층(122)이 형성되어 있다. 양극 집전체(110)에서 양극 활물질 코팅부(120)가 형성되어 있지 않은 양극 무지부(130)는 양극 집전체(110)의 양면(111, 112)에 위치한다. 1 and 2, the
양극 활물질 코팅부(120)는 양극 활물질, 바인더 고분자, 도전재 등을 유기용매에 분산 또는 용해시킨 양극 활물질 슬러리를 제조하여 슬롯 다이 등을 이용해 양극 집전체(110)에 코팅한 후 건조함으로써 형성될 수 있다. 제1 양극 활물질층(121)은 양극 집전체(110)의 길이(L) 방향으로 제2 양극 활물질층(122)보다 짧은 코팅 길이를 갖는다. 즉, 제1 양극 활물질층(121)은 제2 양극 활물질층(122)보다 길이(L) 방향 코팅이 빨리 종결되어, 양극 무지부(130)가 양극 집전체(110)의 양면(111, 112)에서 길이가 서로 다르다. 다시 말해, 양극 집전체(110)의 일면(111)에 형성되어 있는 양극 무지부(131)가 양극 집전체(110)의 타면(112)에 형성되어 있는 양극 무지부(132)보다 길이(L) 방향으로 길다. 예컨대, 원통형 혹은 각형 전지에서 권취형 전극조립체를 구성하는 경우, 권취 최외곽부 바깥쪽에 있는 양극 활물질층은, 대응되는 음극 활물질층이 없기 때문에 실제 전지 반응에 기여한다고 보기 어렵다. 따라서, 권취 최외곽부 바깥쪽에 있는 양극 활물질층은 본 실시예의 제1 양극 활물질층(121)처럼 안쪽 양극 활물질층, 즉 제2 양극 활물질층(122)보다 짧은 코팅 길이를 가질 수 있다. The cathode active
양극(100)은 양극 활물질 코팅부(120)의 구성에 변화를 주지 않으면서, 즉, 전지 용량에 부정적인 영향을 주지 않으면서, 리튬이차전지의 안전성을 확보하는 구성으로서 가스발생층(140)을 포함하는 점이 특징이다. 가스발생층(140)은 가스발생제 입자들, 도전재 및 바인더 고분자를 포함할 수 있다. 가스발생층(140)은 가스발생제 입자들, 도전재 및 바인더 고분자를 유기용매에 분산 또는 용해시킨 가스발생제 슬러리를 제조하여 양극 집전체(110)에 코팅한 후 건조함으로써 형성될 수 있다. The
본 실시예에서, 가스발생층(140)은 양극 집전체(110)의 일면(111)에 형성되어 있는 양극 무지부(131)에 형성된 제1 가스발생층(141)이다. 즉, 양극 집전체(110)의 양면(111, 112)에 형성된 양극 무지부(130) 중에서 더 넓은 양극 무지부(131)에만 가스발생층(140)이 형성되어 있는 경우이다. 제1 가스발생층(141)은 제1 양극 활물질층(121)과 인접하지만 예를 들어 간격(G)만큼 이격되어 형성되어 있다. 즉, 제1 가스발생층(141)과 제1 양극 활물질층(121)은 서로 옆면이 붙어 형성되지 않고, 둘 중 어느 하나가 다른 것 위로 겹쳐지게 형성되지도 않도록, 서로 분리되어 구별된다. The
양극(100)은 이와 같이 양극 집전체(110)에 양극 활물질 코팅부(120)와 가스발생층(140)을, 각각의 슬러리를 코팅하고 건조하는 방법으로 형성한 다음에, 전체적으로 압연(혹은 프레싱)하여 제조할 수 있다. 그러나 반드시 이러한 순서의 제조 방법에 국한되는 것은 아니다. The
가스발생층(140)이 양극 활물질 코팅부(120)가 형성되어 있지 않은 양극 무지부(130)에 형성되는 부분은 본 발명의 취지에 부합하는 한 특별히 제한되지 않으므로, 가스발생층(140)은 양극 집전체(110)의 양극 무지부(130) 임의의 영역에 형성될 수 있으나, 도 1에 도시된 일 양태와 같이, 예를 들어 제1 가스발생층(141)은 제1 양극 활물질층(121)에 양극 집전체(110)의 길이(L) 방향으로 인접하게 형성되어 있으면서 양극 집전체(110)의 폭(W) 방향으로 제1 양극 활물질층(121)과 동일한 폭으로 형성되어 있을 수 있다. 그리고, 제1 양극 활물질층(121)이나 제1 가스발생층(141)이 형성되지 않은 양극 집전체(110)의 양극 무지부(131)가 길이(L) 방향으로 가장 끝에 존재할 수 있다. 그리고 도 2에서와 같이, 제1 가스발생층(141)은 제2 양극 활물질층(122)이 종결된 위치에 대응되는 곳까지 형성되어 있을 수 있다. 이렇게 함으로써 양극(100) 전체로 보았을 때 전극 집전체(110) 양면(111, 112)의 대칭성이 어느 정도 확보가 되어 구조적으로 유리해진다. 예를 들어 어느 한 쪽 면 방향으로 휘어지는 등의 문제가 없다. Since the
가스발생층(140)은 도 1 및 도 2와 같은 구조에 한정되는 것이 아니라, 도 3 및 도 4에서와 같은 구조를 가질 수도 있다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극의 길이 방향 단면도이고, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극의 길이 방향 단면도이다.The
먼저 도 3을 참조하면, 양극(100')은 양극 집전체(110)의 타면(112)에 형성되어 있는 양극 무지부(132)에 제2 가스발생층(142)이 형성되어 있다. 즉 본 실시예에서는 가스발생층(140)이 양극 집전체(110)의 타면(112)에 형성되어 있는 양극 무지부(132)에 형성된 제2 가스발생층(142)이다. 다시 말해, 양극 집전체(110)의 양면(111, 112)에 형성된 양극 무지부(130) 중에서 더 좁은 양극 무지부(132)에만 가스발생층(140)이 형성되어 있는 경우이다. 제2 가스발생층(142)은 제2 양극 활물질층(122)과 인접하지만 예를 들어 간격(G)만큼 이격되어 형성되어 있다. 즉, 제2 가스발생층(142)과 제2 양극 활물질층(122)은 서로 옆면이 붙어 형성되지 않고, 둘 중 어느 하나가 다른 것 위로 겹쳐지게 형성되지도 않도록, 서로 분리되어 구별된다. Referring to FIG. 3, the anode 100 'has a second
다음으로 도 4를 참조하면, 양극(100")은 도 2에서와 같은 제1 가스발생층(141)과 도 3에서와 같은 제2 가스발생층(142)을 모두 포함하는 가스발생층(140)을 가진다. 즉, 양극 집전체(110)의 양면(111, 112)에 형성된 양극 무지부(130) 모두에 가스발생층(140)이 형성되어 있는 경우이다. 4, the
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하고자 하는 것은, 가스발생층(140)이 양극 무지부(130)에 형성되기만 한다면 양극 집전체(110)의 어느 쪽 면에 형성되더라도 무방하다는 것이다. 가스발생층(140) 안의 가스발생제의 분해 반응에 의해 가스가 발생되는 것이므로, 되도록이면 가스발생층(140)의 넓은 면적을 확보하여 많은 가스발생제를 포함하도록 하는 것이 다량의 가스 발생 측면에서는 유리할 것이다. 따라서, 가능한 한 양극 집전체(110)의 양극 무지부(130)에 가스발생층(140)을 가능한 한 넓게 형성하도록 한 도 4의 경우가 가스 발생 측면만 놓고 본다면 바람직할 것이다. 3 and 4, the
도 3 및 도 4에서, 제2 가스발생층(142)은 제1 가스발생층(141)과 유사하게, 제2 양극 활물질층(122)에 양극 집전체(110)의 길이(L) 방향으로 인접하게 형성되어 있으면서 양극 집전체(110)의 폭(W) 방향으로 제2 양극 활물질층(122)과 동일한 폭으로 형성되어 있을 수 있다. 그리고, 제2 양극 활물질층(122)이나 제2 가스발생층(142)이 형성되지 않은 양극 집전체(110)의 양극 무지부(132)가 길이(L) 방향으로 가장 끝에 존재할 수 있다. 그리고 도 4에서와 같이, 제2 가스발생층(142)은 제1 가스발생층(141)이 종결된 위치에 대응되는 곳까지 형성되어 있을 수 있다. 이렇게 함으로써 양극(100") 전체로 보았을 때 전극 집전체(110) 양면(111, 112)의 대칭성이 어느 정도 확보가 되어 구조적으로 유리해진다. 3 and 4, the second
도 2 내지 도 4에서 가스발생층(140)은 양극 활물질 코팅부(120)와 동일한 두께 또는 높이(h)로 형성되는 것처럼 도시하였다. 필요에 따라, 가스발생층(140)은 양극 활물질 코팅부(120)보다 얇은 두께로 형성되거나, 양극 활물질 코팅부(120)와 인접해서는 양극 활물질 코팅부(120)와 동일한 두께 또는 높이로 형성되다가 점차 얇아지도록 형성되는 양태도 포함될 수 있다. 이러한 양태에 의해, 양극(100, 100', 100") 전체 압연시 양극 활물질 코팅부(120) 일측에서부터 압연 롤을 가지고 압연을 진행해 가스발생층(140) 부분 가까이에서 압연이 종료되도록 한다고 하면, 종료되는 시점에 두께 차이에 의한 미세한 압력 차이 발생으로 인해 양극(100, 100', 100")에 영향을 미치는 일을 방지할 수 있다. 2 to 4, the
도 2 내지 도 4에서, 제1 가스발생층(141)은 제1 양극 활물질층(121)이 형성되어 있지 않은 양극 무지부(131)에만 형성되어 있고, 제2 가스발생층(142)은 제2 양극 활물질층(122)이 형성되어 있지 않은 양극 무지부(132)에만 형성되어 있다. 즉, 본 발명에서 가스발생층(140)은 양극 활물질 코팅부(120)가 형성되어 있지 않은 양극 무지부(130)에만 형성된다. 그렇기 때문에 가스발생층(140)을 양극 무지부(130)에 형성하는 것이 아니라 가스발생제를 양극 활물질 슬러리에 아예 포함시켜 이를 코팅함으로써 양극 활물질 코팅부(120) 안에 가스발생층(140)이 혼합된 상태로 형성한다거나, 가스발생층(140)을 양극 무지부(130)에 형성하기는 하지만 양극 활물질 코팅부(120) 쪽으로까지 침범하여 가스발생층(140)이 양극 활물질 코팅부(120)와 겹쳐 형성되는 경우에 비하여, 다음과 같은 다수의 유리한 점을 갖는다. 과충전시 신속하게 가스발생제가 분해해 발생되는 가스 발생으로 과충전 종료 전압에 신속 도달할 수 있다. 양극 활물질층에 영향을 주지 않으므로 전극 저항 및 전지 저항을 감소시킬 수 있다. 가스발생층(140)이 양극 활물질 코팅부(120) 안에 형성되는 경우에 비해 양극 활물질층의 활물질 로딩 양을 감소시키지 않으므로 전지의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다. 가스발생층(140)이 양극 활물질 코팅부(120)와 겹쳐 형성되는 경우에 비해 두께나 높이 증가가 없으므로 전지 제조시 분리막 찢어짐이 방지된다. 2 to 4, the first
특히 가스발생층(140)은 양극 활물질 코팅부(120)와 이격되어 형성된다. 이로써, 이러한 양극을 포함하는 전지는, 과충전시 가스가 발생되어 원활하게 전지 케이스내에 확산됨으로써, 전지 내압을 신속하게 증가시킬 수 있게 된다. 그리고, 가스발생층(140)이 양극 활물질 코팅부(120)의 구성에 전혀 영향을 주지 않기 때문에 전지 특성을 우수하게 유지할 수 있다. 가스발생층(140)이 양극 활물질 코팅부(120)에 붙어 있거나 겹쳐 형성되는 경우에는 가스발생층(140)이 저항으로 작용하기 때문에 전극 저항이나 전지 저항을 증가시키는 원인이 될 수 있다. 가스발생층(140)이 양극 활물질 코팅부(120)와 겹쳐 형성되는 경우에는 겹쳐지지 않은 부분과의 높이차 발생에 의해 분리막 찢어짐이 발생하거나 전극 압연시 높이 차로 인해 압연시 스트레스(stress)가 증가되어 양극 집전체(110)가 절단될 위험이 있다. 가스발생층(140)에서 빠르게 가스 발생을 하기 위해서는 양극 집전체(110)로부터의 전자 이동이 빨라야 한다. 가스발생층(140)이 양극 활물질 코팅부(120)에 붙어 있거나 겹쳐 형성되는 경우보다는 본 발명에서와 같이 가스발생층(140)이 양극 활물질 코팅부(120)와 이격되어 양극 무지부(130)에 형성된 경우가 양극 집전체(110)로부터 빠르게 전자 이동이 되어 반응이 일어나므로 단시간에 가스가 발생될 수 있다. In particular, the
가스발생층(140)에는 양극 활물질이 포함되어 있지 않다. 따라서, 가스발생층(140)이 음극 쪽을 향하도록 놓여져 전지를 구성하더라도 가스발생층(140)에서 양극 활물질이 탈락해 전지 단락을 일으킬 염려는 없다. 가스발생층(140)은 가스발생제 입자들, 바인더 고분자 및 도전재를 포함한다. 가스발생층(140)은, 가스발생제 입자들, 바인더 고분자 및 도전재만으로 이루어질 수 있으며, 필요에 따라, 당업계에서 통상적으로 사용되는 첨가제가 더 포함될 수 있다. The
양극 활물질 코팅부(120)에는 가스발생제 입자들이 포함되어 있지 않다. 따라서, 양극 활물질 코팅부(120)의 저항은 가스발생제 입자들에 의한 가스 발생에 영향을 받지 않는다. 양극 활물질 코팅부(120)는 양극 활물질 입자들, 바인더 고분자 및 도전재를 포함한다. 양극 활물질 코팅부(120)는 양극 활물질, 바인더 고분자 및 도전재만으로 이루어질 수 있으며, 필요에 따라, 당업계에서 통상적으로 사용되는 첨가제가 더 포함될 수 있다. The cathode active
이와 같이, 양극 활물질 코팅부(120)와 가스발생층(140)은 양극 활물질 입자들 또는 가스발생제 입자들을 서로 배타적으로 포함한다는 점을 제외하고는 바인더 고분자, 도전재, 유기용매, 그리고 코팅 방법이 동일하거나 유사할 수 있다. 따라서, 본 발명의 가스발생층(140)은, 양극 활물질 코팅부(120)를 형성하기 위한 양극 활물질 슬러리 제조에 사용되는, 종래의 바인더 고분자, 도전재, 유기용매를 그대로 사용하면서, 그리고 종래의 코팅 방법을 그대로 이용하면서, 양극 활물질 슬러리 안의 양극 활물질 입자들 대신에 가스발생제 입자들이 포함된 가스발생제 슬러리를 양극 활물질 슬러리와는 별도로 제조하여 따로 코팅하는 방법으로 형성하면 된다. 가스발생제 입자들이 포함된 가스발생제 슬러리를 제조하여 코팅하는 방법은 일찍이 알려진 바가 없기 때문에 본 발명의 양극 제조 방법은 종래의 양극 제조 방법과도 차이가 있다. As described above, the cathode active
양극 집전체(110)는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체(110)의 재질은 알루미늄이 주로 이용된다. 대안적으로, 양극 집전체(110)는 스테인리스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 나아가, 이차전지의 화학적 변화를 야기시키지 않고 높은 도전성을 갖는 재질이라면 양극 집전체(110)로 사용하는 데 제한이 없다. 또한 양극 집전체(110)는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. The
양극 활물질은 리튬 계열의 활물질이고, 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4 또는 Li1 + zNi1 -x- yCoxMyO2 (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, 0≤z≤1, M은 Al, Sr, Mg, La, Mn 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다.The cathode active material is a lithium-based active material, and typical examples thereof include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4, or Li 1 + z Ni 1 -x- y Co x M y O 2 1, 0? Y? 1, 0? X + y? 1, 0? Z? 1, and M is a metal such as Al, Sr, Mg, La, or Mn).
바인더 고분자는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 양극 집전체(110)에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로즈, 재생 셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The binder polymer plays a role of attaching the positive electrode active material particles to each other well and attaching the positive electrode active material to the
도전재는 양극(100)에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학적 변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 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 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체; 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 포함하는 도전성 소재를 사용할 수 있다. The conductive material is used for imparting conductivity to the
양극 활물질 코팅부(120)는 충진제를 더 포함할 수 있다. 충진제는 양극(100)의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.The cathode active
양극 활물질 입자들, 도전재, 바인더 고분자 및 충진제는 유기용매에 분산 또는 용해시켜 양극 활물질 슬러리로 제조한다. 이 때, 유기 용매 중 고형분의 함량은 용이하게 코팅되면서 흘러내리지 않는 점도의 슬러리이면 특별히 제한되지 않는다. 또한, 상기 유기용매로는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 메톡시 프로필 아세테이트, 부틸 아세테이트, 글리콜에시드, 부틸에스테르, 부틸글리콜, 메틸알킬폴리실록산, 알킬벤젠, 프로필렌글리콜, 크실렌, 모노페닐글리콜, 아랄킬 변성 메틸알킬폴리실록산, 폴리에테르 변성 디메틸폴리실록산 공중합체, 폴리에테르 변성 디메틸폴리실록산 공중합체, 폴리아크릴레이트 용액, 알킬벤젠, 디이소부틸케톤, 유기변성 폴리실록산, 부탄올, 이소부탄올, 변성 폴리아크릴레이트, 변성 폴리우레탄, 및 폴리실록산 변성 폴리머로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 바람직하게 사용될 수 있다. The cathode active material particles, the conductive material, the binder polymer, and the filler are dispersed or dissolved in an organic solvent to prepare a cathode active material slurry. In this case, the content of the solid content in the organic solvent is not particularly limited as long as it is a slurry having a viscosity that can not easily be flowed while being coated. Examples of the organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), methoxypropyl acetate, butyl acetate, glycolic acid esters, butyl esters, butyl glycols, methylalkylpolysiloxanes, alkylbenzenes, propylene glycols, But are not limited to, polyglycidyl polysiloxane copolymers, polyether modified dimethylpolysiloxane copolymers, polyacrylate solutions, alkylbenzenes, diisobutyl ketones, organic modified polysiloxanes, butanol, isobutanol, modified poly Acrylate, a modified polyurethane, and a polysiloxane-modified polymer may be preferably used.
가스발생층(140)의 가스발생제 입자들은 탄산리튬(Li2CO3), 탄산칼슘(CaCO3), 리튬옥살레이트(C2Li2O4), 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 가스발생제는 전지 모델에 따라 과충전 전압이라고 설정한 특정 전압에서 분해되어 기체화될 수 있는 것을 선정한다. 예를 들어 통상 과충전 상태라고 볼 수 있는 4.5 V 이상이 되면 전류를 차단시켜 충전을 중지할 수 있어야 한다. 기체화되는 물질 중 예를 들어 탄산리튬은 4.8 V 이상에서 분해되므로 적합하다. The gas generating agent particles of the
가스발생제 입자들, 특히 탄산리튬 입자는 예컨대, 구형(sphere), 타원형, 다각형과 같은 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본원 명세서에서 '구형', '타원형'이라 할 때, 이는 완전한 '구형', '타원형' 만을 의미하는 것이 아니라, 찌그러진 부분을 포함하거나 통상적으로 용인할 수 있는 수준의 구형, 타원형을 의미하는 폭넓은 의미이다. 이러한 탄산리튬 입자는 0.1 내지 50 ㎛ 입경을 가질 수 있다. The gas generating agent particles, especially lithium carbonate particles, may have shapes such as spheres, ellipses, polygons, but are not limited thereto. Also, in the present specification, when it is referred to as 'spherical shape' or 'elliptical shape', it does not mean a complete 'spherical shape' or 'elliptical shape' but means a spherical shape or an elliptical shape It is a broad sense. Such lithium carbonate particles may have a particle diameter of 0.1 to 50 탆.
가스발생층(140)의 바인더 고분자는 가스발생제 입자들과 도전재 등의 결합과 양극 집전체(110)에 대한 결합에 조력하는 성분이다. 이러한 바인더 고분자는 양극 활물질 코팅부(120)에 포함되는 바인더 고분자와 동일한 것을 사용할 수 있다. 가스발생층(140)의 양극 활물질 코팅부(120)에 포함되는 도전재와 동일한 것을 사용할 수 있다. 가스발생층(140)을 형성하기 위한 슬러리를 위한 유기용매는 양극 활물질 슬러리를 위한 유기용매와 동일한 것을 사용할 수 있다. 따라서, 가스발생층(140)을 형성하는 공정은 기존의 양극 활물질 코팅부(120)를 형성하는 공정과 양립하기 쉬우며 기존의 공정 안으로 쉽게 도입될 수 있다. The binder polymer of the
가스발생층(140)에는 과충전 상황에서 리튬이차전지의 안전성을 확보하기에 충분한 가스발생제 입자들이 포함되어야 한다. 예컨대, 가스발생제 입자들, 도전재 및 바인더 고분자를 합한 중량 기준으로 0.1 내지 99.9 중량%의 가스발생제 입자들이 포함될 수 있다. 바람직하게, 가스발생제 입자들, 도전재 및 바인더 고분자를 합한 중량 기준으로 1 내지 10 중량%의 가스발생제 입자들이 포함될 수 있다. 가스발생층(140)에서 도전재는 가스발생제 입자들, 도전재 및 바인더 고분자를 합한 중량 기준으로 0.1 내지 10 중량%의 양으로 포함될 수 있다. The
예컨대, 탄산리튬, 도전재 및 바인더 고분자를 합한 중량 기준으로 0.1 내지 99.9 중량%의 탄산리튬 입자가 포함될 수 있다. 바람직하게, 탄산리튬, 도전재 및 바인더 고분자를 합한 중량 기준으로 1 내지 10 중량%의 탄산리튬 입자가 포함될 수 있다. For example, 0.1 to 99.9% by weight of lithium carbonate particles may be included based on the combined weight of lithium carbonate, conductive material, and binder polymer. Preferably, lithium carbonate particles of 1 to 10% by weight, based on the combined weight of lithium carbonate, conductive material and binder polymer, may be included.
가스발생층(140)은, 가스발생제 입자들에 의해 지지되는(sustained) 다공성 구조로 형성할 수 있다. 즉, 바인더 고분자에 의해 가스발생제 입자들이 서로 연결 및 고정되어 있고, 다시 말해 결착되어 있고, 가스발생제 입자들간의 빈 공간이 기공으로 작용할 수 있다. 이렇게 형성된 기공을 갖는 다공성 구조는 조립된 전지 안에서 전해질, 특히 전해액과의 반응 면적을 증가시킨다. 따라서 가스 발생이 더 활발히 이루어진다. 전해액으로 채워지지 않은 기공은 발생된 가스가 퍼져나가는 이동 경로를 형성할 수도 있다. 가스발생층(140)이 효율적으로 기능하기 위해서는 가스발생층(140)의 반응 면적을 넓히는 것이 중요하다. 이를 위해 되도록 양극 무지부(130)에 가능한 한 넓게 가스발생층(140)을 형성할 수도 있지만, 좁은 면적에 형성되는 경우라도 넓은 표면적을 가질 수 있도록 형성하면 좋다. 이를 위해서 가스발생층(140) 안에 작은 기공을 많이 형성할 수 있으며, 예를 들어 가스발생제 입자들의 크기를 조절함으로써 원하는 결과에 도달할 수 있다. The
한편, 도 1 내지 도 4에는 가스발생층(140)이 양극 무지부(130)에 전면적으로 코팅되는 양태, 즉 하나의 통합된 층인 경우가 예시되어 있다. 여기서 "통합"이라는 것은 하나의 덩어리 혹은 연속적인 형태로서 되어 있다는 의미이다. 그런데, 이러한 양태뿐만 아니라 스트라이프(stripe), 도트(dot), 물결무늬(wave)와 같이 일정 패턴을 형성하며 코팅되는 양태도 가능하다. 그리고, 상기 패턴 사이에 다른 기능성 층이 배치되도록 하는 양태도 포함될 수 있다. 1 to 4 illustrate a case where the
도 5는 그 중 스트라이프 패턴을 형성하며 코팅되는 경우를 도시한다. 도 5를 참조하면 예를 들어 제1 가스발생층(141)은 양극 집전체(110)의 양극 무지부를 일부 노출시키게 라인 앤 스페이스 타입으로 패터닝되어 있어, 스트라이프형 가스발생층(141a)들 사이의 공간은 가스 이동 경로를 형성한다. 과충전시 가스가 발생되어 원활하게 전지 케이스내에 확산됨으로써 전지 내압을 신속하게 증가시킬 수 있다. FIG. 5 shows a case in which a stripe pattern is formed and coated. Referring to FIG. 5, for example, the first
이러한 패턴을 형성하는 데에는 다양한 방법이 이용될 수 있다. 예를 들어 가스발생제 슬러리를 코팅할 때에 패턴 모양으로 코팅할 수 있는 장치나 방법을 이용하는 것이 가능하다. 예를 들어 선 코팅 또는 점 코팅 또는 선 코팅 진행 방향을 좌우로 흔들면서 하는 방법 등이 가능하다. 대신에 일괄적으로 전면 코팅 후 원하는 모양으로 패터닝하는 작업도 가능하다. Various methods can be used to form such a pattern. For example, it is possible to use an apparatus or a method capable of coating the gas generating agent slurry in a pattern shape when coating the slurry. For example, it is possible to make a line coating or a point coating or a method of shaking the proceeding direction of the coating to the left or right. Alternatively, it is possible to perform patterning in a desired shape after collectively coating the entire surface.
다른 한편, 도 1 내지 도 4에는 가스발생층(140)이 하나의 통합된 층이면서 표면이 매끈한 것처럼 예시되어 있는데, 가스발생층(140)을 구성하는 가스발생제 입자들의 입도나 코팅 상태에 따라 소정의 표면 조도(roughness)를 가질 것이 자명하고, 특히 스탬핑(stamping)과 같은 방법을 통해 일부러 요철 구조를 형성한 것일 수도 있다. 1 to 4 illustrate that the
도 6을 참조하면 예를 들어 제1 가스발생층(141)을 포함하는 가스발생층(140)은 그 표면이 요부(C)와 철부(V)를 가지도록 되어 있다. 요부(C)와 철부(V)가 형성하는 요철은 제1 가스발생층(141)의 표면적을 넓힐 뿐만 아니라 특히 일 방향으로 연결되어 있는 형태의 요부(C)라면 가스 이동 경로를 형성하는 것이나 다름없다. 따라서, 과충전시 가스가 발생되어 원활하게 전지 케이스 내에 확산됨으로써 전지 내압을 신속하게 증가시킬 수 있다. Referring to FIG. 6, for example, the
이러한 요철 구조를 갖게 하는 방법에는 다양한 방법이 이용될 수 있다. 예를 들어 요부와 철부를 가진 패턴 몰드를 사용해 가스발생층(140) 표면에 직접 압력을 인가하는 스탬핑 방식이 가능하다. 롤러 타입으로 구성해 롤링하면서 요철 구조를 형성하게 할 수도 있다. 아니면 세침을 이용해 스크래치 기법으로 요철 구조를 형성할 수도 있다. Various methods can be used for the method of obtaining such a concavo-convex structure. For example, a stamping method in which a pressure is applied directly to the surface of the
한편, 앞의 실시예들에서 양극 활물질 코팅부가 양극 집전체의 한쪽 끝에서부터 코팅이 시작되어 양극 집전체의 양면에 서로 다른 코팅 길이로 형성되는 예를 들었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 양극 활물질 코팅부는 양극 집전체의 양면에 서로 같은 코팅 길이로 형성되는 경우도 있다. 양극 활물질 코팅부는 양극 집전체의 한쪽면에만 형성되는 경우도 있다. 또한 양극 활물질 코팅부를 형성할 때 양극 집전체의 한쪽 끝에서 소정 길이를 남겨두고 코팅을 시작하는 경우 양극 활물질 코팅부를 가운데에 두고 양극 집전체의 양쪽 끝에 무지부가 형성되기도 한다. 본 발명은 어느 경우에라도 양극 무지부에만 가스발생층이 형성되는 것이다. In the above embodiments, the cathode active material coating portion starts coating from one end of the cathode current collector and is formed on both sides of the cathode current collector with different coating lengths, but the present invention is not limited thereto. The cathode active material coating portion may be formed on both sides of the anode current collector with the same coating length. The cathode active material coating portion may be formed on only one side of the positive electrode current collector. Also, when forming the cathode active material coating portion, when coating is started while leaving a predetermined length at one end of the cathode current collector, the cathode active material coating portion is formed at the center and the unoccluded portions are formed at both ends of the cathode current collector. In either case, the gas generating layer is formed only in the positive electrode uncoated portion.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 리튬이차전지의 전극조립체를 설명하기 위한 도면들이다. 도 7은 전극조립체가 권취되기 전의 분해 사시도이고, 도 8은 도 7을 권취한 후의 전극조립체의 사시도이다. 7 and 8 are views for explaining an electrode assembly of a lithium secondary battery according to the present invention. Fig. 7 is an exploded perspective view of the electrode assembly before the electrode assembly is wound, and Fig. 8 is a perspective view of the electrode assembly after the winding of Fig.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 리튬이차전지는 본 발명에 따른 리튬이차전지용 양극(100)과 음극(200)과 분리막(300, 310)을 권취한 전극조립체(400)를 포함하는 것이다. 즉, 전극조립체(400)는 양극(100), 음극(200)과 분리막(300, 310)을 포함하고, 분리막(300, 310)은 양극(100)과 음극(200)의 사이에 개재된다. 양극(100), 분리막(300), 음극(200), 다른 분리막(310)은 시트로 형성되어 차례로 적층된 후 한쪽에서부터 권취되어 전극조립체(400)가 된다. 7 and 8, a lithium secondary battery according to the present invention includes an
양극(100)에 대해서는 앞에서 도 1 및 도 2 등을 참조하여 상세히 설명하였다. 양극(100)은 양극 무지부(130)에 양극 탭(150)이 부착될 수 있다.The
음극(200)도 양극 집전체(110)에 대응되는 시트의 음극 집전체(210)를 포함한다. 음극 집전체(210)의 양면에 음극 활물질 코팅부(220)가 형성되어 있다. 음극 집전체(210)에서 음극 활물질층이 형성되지 않은 부분인 음극 무지부(230)가 있다. 본 실시예에서 음극 무지부(230)는 음극 집전체(210)의 양면에서 같은 길이인 경우를 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 음극(200)은 음극 무지부(230)에 음극 탭(250)이 부착될 수 있다. The
양극 탭(150)과 음극 탭(250)이 되도록이면 멀어지도록, 이들 탭(150, 250)이 부착되는 각 무지부(130, 230)는 양극(100) 및 음극(200)의 길이(L) 방향으로 볼 때 서로 반대측에 놓이도록 하는 것이 바람직하다. The
앞에서 설명한 바와 같이 양극(100)은 양극 집전체(110) 상에 양극 활물질 슬러리를 코팅, 건조 및 압연하여 제조된다. 음극(200)도 음극 집전체(210) 상에 음극 활물질 슬러리를 코팅, 건조 및 압연하여 제조할 수 있다. 음극 활물질 슬러리의 제조에 관하여는 앞에서 설명한 양극 활물질 슬러리의 제조를 참고할 수 있다. As described above, the
음극 집전체(210)도 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체(210)는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 주로 구리 재질이 이용되나, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등도 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체(110)와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The anode
음극 활물질은, 탄소 계열의 활물질이고, 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), AuxMe1 -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; AuO, 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 있다. The negative electrode active material is a carbon-based active material, and examples of the negative electrode active material include a carbon material such as crystalline carbon, amorphous carbon, carbon composite, and carbon fiber, lithium metal, and lithium alloy. For example, carbon; Li x Fe 2 O 3 (0 x 1), Li x WO 2 (0 x 1), Au x Me 1 -x Me y O z (Me: Mn, Fe, Pb, : Metal complex oxides such as Al, B, P, Si, Group 1,
그러나, 양극 활물질과 음극 활물질의 종류와 화학적 조성은 이차전지의 종류에 따라 얼마든지 달라질 수 있으므로 상기에서 열거한 구체적인 예는 하나의 예시에 불과하다는 것을 이해하여야 한다. However, the types and chemical compositions of the cathode active material and the anode active material may vary depending on the type of the secondary battery. Therefore, it should be understood that the specific examples given above are only examples.
분리막(300, 310)은 양극(100)과 음극(200) 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막(300, 310)의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막(300, 310)으로는, 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. The
분리막(300, 310)은 다공성 재질을 가진 것이라면 특별히 제한이 없다. 분리막(300, 310)은 다공성이 있는 고분자막, 예컨대 다공성 폴리올레핀막, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로 프로필렌, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크리로니트릴스티렌부타디엔 공중합체 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드로, 폴리에틸렌나프탈렌, 부직포막, 다공성 웹(web) 구조를 가진 막 또는 이들의 혼합체 등으로 이루어질 수 있다. The
분리막(300, 310)의 단면 또는 양면에는 무기 입자가 결착되어 있을 수 있다. 상기 무기 입자는 5 이상의 고유전율 상수를 갖는 무기 입자가 바람직하며, 10 이상의 유전율 상수를 가지며 밀도가 낮은 무기물 입자가 더욱 바람직하다. 이는 전지내에서 이동하는 리튬 이온을 용이하게 전달할 수 있기 때문이다. 5 이상의 고유전율 상수를 갖는 무기 입자의 비제한적인 예로는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1 - xLaxZr1 -yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), BaTiO3, HfO2, SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO, Y2O3 또는 이들의 혼합체 등이 있다.At the end face or both faces of the
바람직하게, 전극조립체(400)는 도 7과 같은 배치로 양극(100)과 음극(200) 사이에 분리막(300, 310)을 개재하여, 양극 집전체(110) 및 음극 집전체(210)의 일 측(권취 중심)에서부터 양극 집전체(110) 및 음극 집전체(210)의 길이(L) 방향을 따라 화살표 방향으로 권취한 것이다. 이렇게 하면, 양극(100)의 가스발생층(140)은 도 8에서와 같이 전극조립체(400)의 최외곽부에 위치할 수 있다. 그리고 권취 방향인 길이(L) 방향에 대해 수직으로 가스발생층(140)이 구비되어 있다. 다시 말해 가스발생층(140)은 전극조립체(400)의 길이 방향으로 최외곽부에 형성되어 있다. 가스발생층(140)은 용량 구현 및 리튬 이온의 원활한 이동을 위해, 음극(200)과 대면하지 않는 양극 집전체(110) 양극 무지부(131), 즉 전극조립체(400) 최외곽부 바깥쪽을 형성하는 양극 집전체(110) 양극 무지부(131)에 형성되는 것이다. 7, the
리튬이차전지는 이러한 전극조립체(400)와, 이 전극조립체(400)를 전해질과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스를 구비한다. 전해질로는 리튬염 함유 전해액이 대표적이다. 전극조립체(400)를 원통형 전지 케이스(캔)에 넣어 전해질을 주입한 다음, 밀봉하여 리튬이차전지로 조립된다. 조립된 후의 구조는 예를 들어 본 출원인의 대한민국 등록특허 제10-1803528호 공보를 참조할 수 있고, 여기에서와 같은 CID가 구비된 캡 조립체까지 구비하여 본 발명의 특유한 가스발생층을 통한 리튬이차전지의 안정성 확보를 실현할 수 있다. The lithium secondary battery includes such an
리튬염 함유 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The electrolyte solution containing a lithium salt is composed of an electrolyte solution and a lithium salt. As the electrolyte solution, non-aqueous organic solvents, organic solid electrolytes, inorganic solid electrolytes, and the like are used.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 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 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.Examples of the non-aqueous organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butylolactone, Tetrahydrofuran, tetrahydrofuran, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, Methyltetrahydrofuran, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl propionate, methyl ethyl ketone, , Ethyl propionate and the like can be used.
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.Examples of the organic solid electrolyte include a polymer electrolyte such as a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, an agitation lysine, a polyester sulfide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene fluoride, A polymer containing an ionic dissociation group and the like may be used.
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.Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides and sulfates of Li such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH and Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 can be used.
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.The lithium salt is a material that is readily soluble in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI,
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.For the purpose of improving the charge / discharge characteristics and the flame retardancy, the electrolytic solution is preferably mixed with an organic solvent such as pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, glyme, Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxyethanol, . In some cases, halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further added to impart nonflammability. In order to improve the high-temperature storage characteristics, carbon dioxide gas may be further added. FEC (Fluoro-Ethylene Carbonate, PRS (Propene sultone), and the like.
하나의 바람직한 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.In a preferred embodiment, LiPF 6, LiClO 4, LiBF 4, LiN (SO 2 CF 3) 2 , such as a lithium salt, a highly dielectric solvent of DEC, DMC or EMC Fig solvent cyclic carbonate and a low viscosity of the EC or PC of And then adding it to a mixed solvent of linear carbonate to prepare a lithium salt-containing non-aqueous electrolyte.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공하고, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공하는 데에 이용될 수 있다. 상기 전지팩은 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다. 상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전기적 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(ESS) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The present invention can also be used to provide a battery module including the secondary battery as a unit battery and to provide a battery pack including the battery module. The battery pack can be used as a power source for a medium and large-sized device requiring high temperature stability, long cycle characteristics, and high rate characteristics. Preferred examples of the above medium and large-sized devices include a power tool which is powered by an electric motor and moves; An electric vehicle including an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV), and the like; An electric motorcycle including an electric bike (E-bike) and an electric scooter (E-scooter); An electric golf cart; A power storage system (ESS), and the like, but the present invention is not limited thereto.
이하에서는 실험예를 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be further described with reference to experimental examples, but the scope of the present invention is not limited thereto.
실시예Example 1 One
도 3과 같은 구조로 좁은 양극 무지부에 가스발생층을 포함하도록 양극을 제조하고, 이를 이용해 권취형 전극조립체를 포함한 전지를 제조하였다. 가스발생제는 탄산리튬을 이용하였다. 3, a positive electrode was fabricated to include a gas generating layer in a narrow unoccupied area, and a battery including the wound electrode assembly was manufactured using the positive electrode. Lithium carbonate was used as the gas generating agent.
구체적으로, 바인더 고분자인 폴리비닐리덴 플루오라이드 2g을 NMP에 용해시키고, 이어서, 입경이 5.0 ㎛인 탄산리튬(Li2CO3) 50g과 도전재인 Super-P 4g을 첨가하여서 가스발생층 형성을 위한 슬러리를 준비하였다.Specifically, 2 g of polyvinylidene fluoride as a binder polymer was dissolved in NMP, and then 50 g of lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) having a particle diameter of 5.0 탆 and 4 g of Super-P, which is a conductive material, A slurry was prepared.
이어서, 대략 15 ~ 20 ㎛의 D50를 가진 LiCoO2, 도전재인 Super P 및 바인더인 폴리비닐리덴 플루오라이드를 중량비 92:4:4로 혼합한 후, NMP를 첨가하여 양극 활물질층 형성을 위한 슬러리를 제조하였다.Subsequently, LiCoO2 having a D50 of approximately 15 to 20 mu m, Super P as a conductive material, and polyvinylidene fluoride as a binder were mixed at a weight ratio of 92: 4: 4, and then NMP was added to prepare a slurry for forming a cathode active material layer Respectively.
양극 집전체로서 길이 100 ~ 200 cm 및 폭 5 ~ 7 cm 범위 내의 알루미늄 집전체를 준비하고 양극 활물질층 형성을 위한 슬러리와 가스발생층 형성을 위한 슬러리를 각각 도포하였다. 양극 활물질층 형성을 위한 슬러리와 가스발생층 형성을 위한 슬러리가 서로 인접한 영역에서 혼합되지 않도록 하기 위해, 양극 활물질층 형성을 위한 슬러리를 도포, 건조한 후에 가스 발생층 형성을 위한 슬러리를 도포, 건조할 수 있다. 이 때, 슬러리 도포를 위해 슬롯 다이 코팅 방법을 이용하였으며, 건조는 120℃의 진공오븐에서 수행되었다. 이와 같이 제조된 가스 발생층은 0.03 g/cm2 로딩량으로 양극 집전체에 도포되며, 20 ㎛ 두께를 가졌다.An aluminum current collector having a length of 100 to 200 cm and a width of 5 to 7 cm was prepared as a positive electrode current collector, and a slurry for forming a cathode active material layer and a slurry for forming a gas generating layer were respectively applied. In order to prevent the slurry for forming the cathode active material layer and the slurry for forming the gas generating layer from being mixed in the regions adjacent to each other, the slurry for forming the cathode active material layer is applied and dried, and then the slurry for forming the gas generating layer is applied and dried . At this time, a slot die coating method was used for slurry application, and drying was performed in a vacuum oven at 120 ° C. The gas generating layer thus prepared was applied to the positive electrode collector at a loading amount of 0.03 g / cm 2 , and had a thickness of 20 탆.
음극으로는 MCMB(mesocarbon microbead)를 활물질로 사용하고 도전재로는 super P 및 바인더로는 PVdF를 각각 사용하여 92:2:6의 비율(중량비)로 혼합하고 NMP에 분산시킨 후 구리 호일에 코팅하여 음극을 제조하였다.As a cathode, MCMB (mesocarbon microbead) was used as an active material, super P as a conductive material and PVdF as a binder were mixed at a ratio (weight ratio) of 92: 2: 6 and dispersed in NMP and coated on a copper foil To prepare a negative electrode.
양극과 음극에 각 탭을 연결한 후, 이렇게 제조된 음극과 양극 사이에 폴리에틸렌 분리막을 사용하여 권취형 전극조립체를 제조하였다. 상기 전극조립체를 원통형 전지 케이스(캔)에 넣고, 1 M의 LiPF6이 녹아 있는 부피비 1:1의 에틸렌카보네이트(EC)와 디메틸카보네이트(DMC) 용액을 전해질로 주입한 다음, 밀봉하여 리튬이차전지를 조립하였다.Each of the tabs was connected to the positive electrode and the negative electrode, and then a wound electrode assembly was manufactured using the polyethylene separator between the negative electrode and the positive electrode. The electrode assembly was placed in a cylindrical battery case (can), and ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) solutions having a 1: 1 volume ratio in which 1 M of LiPF6 was dissolved were injected into the electrolyte, Assembled.
실시예Example 2 2
도 4와 같은 구조로 좁은 양극 무지부 및 넓은 양극 무지부에 가스발생층을 포함하도록 양극을 제조하고, 이를 이용해 권취형 전극조립체를 포함한 전지를 제조하였다. 모든 조건은 실시예 1과 동일하게 하였다. 4, a positive electrode was fabricated so as to include a gas generating layer in a narrow positive electrode non-coated portion and a wide positive electrode non-coated portion, and a battery including the wound electrode assembly was manufactured using the positive electrode. All the conditions were the same as in Example 1.
비교예Comparative Example 1 One
실시예 1이나 실시예 2와 같은 가스발생층을 포함하지 않고, 대신에 특허문헌 1처럼 양극 활물질층 안에 탄산리튬을 혼합하여 양극을 제조하고, 이를 이용해 권취형 전극조립체를 포함한 전지를 제조하였다. 가스발생층을 양극 활물질층과 별개로 형성하지 않은 대신 탄산리튬의 양은 실시예 1과 같게 하는 등 모든 조건은 실시예 1과 동일하게 하였다. Instead of the gas generating layer as in Example 1 or Example 2, lithium carbonate was mixed in the positive electrode active material layer as in Patent Document 1 to prepare a positive electrode, and a battery including the wound electrode assembly was manufactured using the positive electrode. The gas generating layer was not formed separately from the positive electrode active material layer, and the amount of lithium carbonate was set to be the same as that in Example 1, and all the conditions were the same as those in Example 1.
평가예Evaluation example : 전극 저항 평가 결과: Electrode resistance evaluation result
도 9 및 도 10은 실시예와 비교예의 전극 저항 평가결과를 나타낸 그래프들로서, 도 9는 체적저항이고 도 10은 면저항이다. 전극 저항은 각 실험예의 양극에서 양극 활물질층 부분을 측정한 것으로, 일반적으로 이용하는 4-프로브 방법에 의해서, 즉 양극 활물질층 표면의 전류와 전압을 4개의 탐침으로 측정하여 면저항을 얻었고, 체적저항은 가압 압력을 고려한 보정계수를 적용하여 산출하였다.Figs. 9 and 10 are graphs showing the results of the electrode resistance evaluation of the embodiment and the comparative example, where Fig. 9 is the volume resistance and Fig. 10 is the sheet resistance. The electrode resistance was obtained by measuring the portion of the positive electrode active material layer on the positive electrode of each experimental example. The current and voltage on the surface of the positive electrode active material layer were measured with four probes by the commonly used 4-probe method, And the correction factor considering the pressurized pressure was applied.
도 9 및 도 10 참조시 비교예 1 대비 실시예 1, 2의 체적저항 및 면저항이 낮다. 비교예 1에서는 양극 활물질에 탄산리튬을 혼합하여 사용하였기 때문에 양극 무지부에 가스발생층을 형성하고 양극 활물질층은 그대로 둔 실시예 1, 2보다 전극 저항이 높게 나타났다. 실시예 1과 실시예 2는 가스발생층 형성 면적을 제외하면 양극 활물질층은 서로 동일하므로 전극 저항도 서로 차이가 없게 나타났다. Referring to FIGS. 9 and 10, the volume resistivity and sheet resistance of Examples 1 and 2 are low compared to Comparative Example 1. In Comparative Example 1, since the cathode active material was mixed with lithium carbonate, the electrode resistance was higher than those of Examples 1 and 2 in which the gas generating layer was formed in the cathode uncoated portion and the cathode active material layer was left intact. In Example 1 and Example 2, except for the gas generating layer forming area, the cathode active material layers were the same, so that the electrode resistances were not different from each other.
평가예Evaluation example : 전지 저항 평가 결과: Evaluation results of cell resistance
도 11은 실시예와 비교예 전지의 AC 저항 평가결과를 나타낸 그래프이다. 일반적으로 이용하는 교류 임피던스(AC Impedence) 측정기를 사용하여 주파수 1kHz 의 교류를 인가해 측정하였다. 11 is a graph showing the results of AC resistance evaluation of Examples and Comparative Examples. The AC impedance was measured by applying a current of 1 kHz alternating current using a generally used AC impedance meter.
도 11로부터 확인되는 바와 같이, 비교예 1 대비 실시예 1 및 2에서 1.4 mohm 저항 감소가 발생한 것으로 확인되었다. 본 발명의 경우가 약 3% 감소한 것이다. 전지의 AC 저항은 활물질층의 저항이 주요인자이다. 비교예 1에서는 양극 활물질에 탄산리튬을 혼합하여 사용하였기 때문에 양극 무지부에 가스발생층을 형성하고 양극 활물질층은 그대로 둔 실시예 1, 2보다 저항이 높게 나타났다. 실시예 1과 실시예 2는 양극 무지부에 가스발생층을 형성하여 활물질층의 저항이 변화하지 않는 점이 동일하므로 AC 저항도 서로 차이가 없게 나타났다. As can be seen from Fig. 11, it was confirmed that 1.4 mhm resistance reduction occurred in Examples 1 and 2 compared to Comparative Example 1. [ The case of the present invention is reduced by about 3%. The AC resistance of the battery is a major factor in resistance of the active material layer. In Comparative Example 1, since the cathode active material was mixed with lithium carbonate, the gas generating layer was formed on the cathode uncoated portion and the resistance was higher than in Examples 1 and 2 in which the cathode active material layer was left intact. In Examples 1 and 2, since the gas generating layer was formed on the cathode uncoated portion and the resistance of the active material layer was not changed, the AC resistance also showed no difference.
평가예Evaluation example : : 충방전Charging and discharging 평가 결과 Evaluation results
실시예 1, 2 및 비교예 1 각각에서 제조된 리튬이차전지에 대하여 정전류(CC)-정전압(CV) 충전 실시 후 정전류(CC) 방전하여 도 12와 같은 충방전 프로파일을 얻었다. The lithium secondary batteries manufactured in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 were subjected to a constant current (CC) -constant voltage (CV) charge and then a constant current (CC) discharge to obtain a charge / discharge profile as shown in FIG.
도 12에서, 실시예 1, 2와 비교예 1의 차이가 잘 나타나는데 이는 실시예 1, 2의 저항이 작기 때문에 정전류 충전시 충전전압이 더 작아짐에 따른 결과이다. In FIG. 12, the difference between Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 is clearly shown, which is a result of a smaller charging voltage at the time of constant current charging because the resistances of Examples 1 and 2 are small.
평가예Evaluation example : 과충전 평가 결과: Overcharge evaluation result
과충전 실험은 2가지 스텝(step)으로 진행하였다. 먼저, 상온(25 ℃) 및 상압에서 CC-CV 충전해 SOC 100% 상태를 만들었으며, 과충전 테스트를 위해 상온 및 상압에서 CC 충전을 SOC 100%에서부터 시작하고, 1시간 또는 최대 전압의 1.5배가 되어 과충전시 종료하는 조건이었다(제2 스텝: 과충전). 과충전 평가는 충방전 시험장치를 이용하였다. The overcharge test proceeded to two steps. First, CC-CV was charged at room temperature (25 ℃) and atmospheric pressure to make 100% state of SOC. For overcharge test, CC charging was started from
실시예 1, 2 및 비교예 1에 대하여 상기와 같은 조건으로 과충전 특성을 수행하였으며, 그 결과를 도 13에 도시하였다. 도 13으로부터 확인되는 바와 같이, 실시예 1에서는 비교예 1과 유사한 수준의 과충전 안전성이 확보되고 실시예 2에서는 비교예 1보다 높은 수준의 과충전 안전성이 확보된다.Overcharging characteristics were carried out for Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 under the same conditions as above, and the results are shown in FIG. As can be seen from Fig. 13, in Example 1, overcharge safety is secured at a level similar to that of Comparative Example 1, and in Example 2, overcharge safety is secured at a level higher than Comparative Example 1.
비교예 1과 동일한 양의 탄산리튬이 첨가된 실시예 1의 경우 비교예 1과 거의 동일하게 전압이 상승하는 양상을 보이지만 실시예 1의 탄산리튬이 양극 활물질층이 아닌 양극 무지부에 위치함에 따라 약간 빠르게 가스 발생이 되어 과충전 종료 시점이 약간 빠르다. 실시예 1보다 가스발생층의 형성 면적이 넓기 때문에 비교예 1 및 실시예 1 대비 많은 양의 탄산리튬을 포함하게 된 실시예 2의 경우 비교예 1 및 실시예 1 대비 빠른 시점에 과충전 종료됨을 확인할 수 있다. In the case of Example 1 in which the same amount of lithium carbonate as in Comparative Example 1 was added, the voltage was increased in the same manner as in Comparative Example 1, but the lithium carbonate of Example 1 was located in the positive electrode non- The gas is generated somewhat faster and the overcharge end timing is slightly faster. It was confirmed that the overcharging was completed at a faster time point than that of Comparative Example 1 and Example 1 in the case of Example 2 in which a large amount of lithium carbonate was contained compared to Comparative Example 1 and Example 1 since the gas generating layer formation area was wider than Example 1 .
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the general inventive concept as defined by the appended claims. It is to be understood that modifications are possible and that such modifications are within the scope of the claims.
100, 100', 100” : 양극
110 : 양극 집전체
120 : 양극 활물질 코팅부
130 : 양극 무지부
140 : 가스발생층
150 : 양극 탭
200 : 음극
210 : 음극 집전체
220 : 음극 활물질 코팅부
230 : 음극 무지부
250 : 음극 탭
300, 310 : 분리막
400 : 전극조립체100, 100 ', 100 ": positive
110: positive electrode collector
120: cathode active material coating part
130: positive uncoated portion
140: gas generating layer
150: positive electrode tab
200: cathode
210: cathode collector
220: Negative electrode active material coating part
230: negative electrode non-
250: negative electrode tab
300, 310: separator
400: electrode assembly
Claims (9)
상기 양극 집전체의 적어도 일면에 형성되어 있는 양극 활물질 코팅부; 및
상기 양극 집전체에서 상기 양극 활물질 코팅부가 형성되어 있지 않은 양극 무지부에만 형성되어 있으며, 가스발생제 입자들, 바인더 고분자 및 도전재를 포함하는 가스발생층을 포함하는 리튬이차전지용 양극. Anode collector;
A cathode active material coating portion formed on at least one surface of the cathode current collector; And
And a gas generating layer formed only on a cathode uncoated portion where the cathode active material coating portion is not formed on the cathode current collector, the gas generating layer comprising a gas generating agent particle, a binder polymer, and a conductive material.
상기 양극 활물질 코팅부는 상기 양극 집전체의 일면에 형성되어 있는 제1 양극 활물질층; 및 상기 양극 집전체의 일면 반대측 타면에 형성되어 있고 상기 양극 집전체의 길이 방향으로 상기 제1 양극 활물질층보다 더 길게 형성되어 종결된 제2 양극 활물질층을 포함하며,
상기 가스발생층은 상기 양극 집전체의 일면에서 상기 제1 양극 활물질층이 형성되어 있지 않은 양극 무지부에 형성되어 있는 제1 가스발생층을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극. The positive electrode collector according to claim 1, wherein the positive electrode collector is a sheet having a length longer than the width,
Wherein the cathode active material coating portion comprises: a first cathode active material layer formed on one surface of the cathode current collector; And a second cathode active material layer formed on the other surface of the cathode current collector on the opposite side of the first cathode active material layer and formed longer than the first cathode active material layer in the longitudinal direction of the cathode current collector,
Wherein the gas generating layer comprises a first gas generating layer formed on one surface of the cathode current collector and on a cathode uncoated portion in which the first cathode active material layer is not formed.
음극 집전체와 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 형성되어 있는 음극 활물질 코팅부를 포함하는 음극; 및
상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함한 전극조립체를 포함하는 리튬이차전지.A positive electrode for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 7;
A negative electrode including a negative electrode current collector and a negative electrode active material coating portion formed on at least one side of the negative electrode current collector; And
And an electrode assembly including a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
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