KR20190009489A - 집전체가 없는 전극 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

집전체가 없는 전극 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20190009489A
KR20190009489A KR1020170091275A KR20170091275A KR20190009489A KR 20190009489 A KR20190009489 A KR 20190009489A KR 1020170091275 A KR1020170091275 A KR 1020170091275A KR 20170091275 A KR20170091275 A KR 20170091275A KR 20190009489 A KR20190009489 A KR 20190009489A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
coated
secondary battery
separator
cathode
Prior art date
Application number
KR1020170091275A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102263467B1 (ko
Inventor
박세미
김은경
이용주
신선영
김동혁
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 KR1020170091275A priority Critical patent/KR102263467B1/ko
Priority to CN201880023678.8A priority patent/CN110495022B/zh
Priority to EP18834370.1A priority patent/EP3654415A4/en
Priority to PCT/KR2018/007497 priority patent/WO2019017617A1/ko
Publication of KR20190009489A publication Critical patent/KR20190009489A/ko
Priority to US16/745,904 priority patent/US11581532B2/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102263467B1 publication Critical patent/KR102263467B1/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
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/366—Composites as layered products
    • 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
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • 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
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0585—Construction or manufacture of accumulators having only flat construction elements, i.e. flat positive electrodes, flat negative electrodes and flat separators
    • 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
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0587—Construction or manufacture of accumulators having only wound construction elements, i.e. wound positive electrodes, wound negative electrodes and wound separators
    • H01M2/1673—
    • 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
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0407—Methods of deposition of the material by coating on an electrolyte layer
    • 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
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • 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
    • H01M4/133—Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • 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
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
    • 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
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/5825—Oxygenated metallic salts or polyanionic structures, e.g. borates, phosphates, silicates, olivines
    • 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
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • 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
    • 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
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • 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
    • H01M4/626—Metals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/46—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
    • 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
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • 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
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028—Positive electrodes
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 금속 막 형태의 집전체를 포함하지 않는 전지용 전극에 있어서, 전극 활물질을 포함하는 코어 및 상기 코어의 표면에 금속 소재가 코팅 또는 도핑된 코어-쉘 구조로 이루어지는 전극에 대한 것으로서, 전지의 용량 및 에너지 밀도의 향상과 수명 특성이 향상된 이차전지에 대한 것이다.

Description

집전체가 없는 전극 및 이를 포함하는 이차전지 {Electrode without Electrode Current Collector and Secondary Battery Having the Same}
본 발명은 집전체가 없는 전극 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로서, 구체적으로는 전극 활물질을 포함하는 코어 및 상기 코어의 표면에 금속 소재가 코팅 또는 도핑된 코어-쉘 구조로 이루어진 전극 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, 휴대폰, 웨어러블 디바이스(Wearable Device), Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품은 물론 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형제품, 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치 및 백업용 전력 저장 장치에도 사용되고 있다.
상기 리튬 이차전지는 일반적으로 양극(Cathode), 분리막(Separator) 및 음극(Anode)으로 이루어지는데, 상기 양극, 분리막 및 음극의 소재는 전지의 수명, 충방전 용량, 온도 특성 및 안정성 등을 고려하여 선택된다.
고용량 고효율의 이차전지에 대한 요구가 높아짐에 따라 전지의 용량 및 에너지 밀도를 증가시키기 위한 다양한 노력이 시도되고 있다. 그러나, 전지셀 내부 공간을 줄일 경우에는 가스 배출이 빠르게 이루어지지 않아 폭발의 위험이 높아지고, 전극 합제의 로딩량을 증가시키는 경우에는 리튬 이온의 이동 경로가 길어짐에 따라 전지셀의 수명 특성이 열화되는 등의 문제가 있다.
구체적으로, 일본 공개특허공보 제 2011-210490 호에서는, 리튬 인산 복합 전이금속 산화물을 포함하는 코어 입자 및, 상기 코어 입자 표면에 전도성 탄소 재료가 코팅된 전극 활물질을 개시하고, 중국 공개특허공보 제 102651476 호에서는, 탄소 표면에 실리콘이 코팅된 구조의 실리콘-카본 복합체 양극 활물질을 포함하는 양극 슬러리가 구리 호일 상에 도포된 양극을 개시하며, 한국 공개특허공보 제2015-0101873에서는, 코어 상에 황(S) 성분을 포함하는 코팅층이 형성된 양극 활물질을 개시하나, 상기의 발명들은, 전극 활물질들이 전극 집전체에 도포된 일반적인 전극 구조를 사용하고 있다. 또한, 일본 공개특허공보 제2008-258031호에서는 전극 집전체를 생략한 전극을 개시하나, 전극 활물질로서 도전성 고분자 재료를 만을 사용하는 점에서 종래의 리튬 전이금속 산화물을 적용할 수 있는 기술에 대한 해결책을 제시하지 못하고 있다.
따라서, 종래의 일반적인 양극 활물질을 사용할 수 있고, 전지셀의 팽창시 가스의 배출이 적절한 시점에 이루어지면서 전지셀의 수명이 저하되지 않고, 전지의 용량 및 에너지 밀도가 향상될 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
일본 공개특허공보 제 2011-210490 호
중국 공개특허공보 제 102651476 호
한국 공개특허공보 제 2015-0101873 호
일본 공개특허공보 제 2008-258031 호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 일반적인 양극 활물질을 사용할 수 있고, 전지셀의 팽창시 가스의 배출이 적절한 시점에 이루어지면서 전지셀의 수명이 저하되지 않고, 전지의 용량 및 에너지 밀도가 향상될 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지용 전극은, 금속 막 형태의 집전체를 포함하지 않는 전지용 전극에 있어서,
전극 활물질을 포함하는 코어 및 상기 코어의 표면에 금속 소재가 코팅 또는 도핑된 코어-쉘 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명은 전극에 포함되지 않는 집전체의 부피만큼 전극의 부피를 증가시킬 수 있기 때문에, 현저히 향상된 전지 용량 및 에너지 밀도를 갖는 이차전지를 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명은 전지셀 내부 공간의 축소에 따른 가스 배출 불량에 의한 폭발의 위험성 증가 및 전극 합제의 로딩량을 증가에 따른 리튬 이온의 이동 경로의 길어짐에 의한 전지셀의 수명 특성 열화 등의 문제를 해소함과 동시에 고용량 및 고효율의 이차전지를 제공할 수 있다.
또한, 본원의 발명은 전극 활물질을 포함하는 코어 및 상기 코어의 표면에 금속 소재가 코팅 또는 도핑된 코어-쉘 구조로 이루어질 수 있는 바, 종래에 사용되는 전극 활물질의 종류를 그대로 사용할 수 있으므로, 새로운 종류의 전극 활물질을 개발할 필요가 없고, 금속 소재의 코팅 또는 도핑층이 형성된 전극을 사용하기 때문에 전극 집전체가 생략됨에도 불구하고 높은 전기 전도도를 갖는 전극을 제공할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극은 전지가 사용되는 디바이스의 용량, 부피 및 비용 등의 조건을 고려하여 선택적으로 적용될 수 있는 바, 구체적으로, 상기 전극은 양극 또는 음극에 적용될 수 있으며, 또는 양극 및 음극 모두에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 전극은 종래에 이차전지용 전극으로 사용되는 전극 활물질들을 사용할 수 있는 장점이 있는 바, 예를 들어, 본 발명에 따른 양극은 하기 화학식 1 내지 3으로 표현되는 양극 활물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
LiaCo1-xMxO2 (1)
LiaMn2-yMyO4 (2)
LiaFe1-zMzPO4 (3)
상기 식에서, 0.8≤a≤1.2; 0≤x≤0.8; 0≤y≤0.6, 0≤z≤0.5 이고,
M은 Ti, Cd, Cu, Cr, Mo, Mg, Al, Ni, Nb, V 및 Zr로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이다.
즉, 상기 양극은 화학식 1로 표시되는 층상 구조의 리튬 금속 산화물, 화학식 2로 표시되는 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물 및 화학식 3으로 표시되는 올리빈 구조의 리튬 함유 인산화물로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 층상 구조의 리튬 금속 산화물은 그 종류에 있어 제한되지는 않지만, 예를 들어, 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 코발트-니켈 산화물, 리튬 코발트-망간 산화물, 리튬 망간-니켈 산화물, 리튬 코발트-니켈-망간 산화물 및 이들에 타원소가 치환 또는 도핑된 물질로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 들 수 있다.
상기 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물 또한 그 종류에 있어 제한되지는 않지만, 예를 들어, 리튬 망간 산화물, 리튬 니켈 망간 산화물 및 이들에 타원소가 치환 또는 도핑된 물질로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 들 수 있다.
또한, 상기 올리빈 구조의 리튬 함유 인산염도 그 종류에 있어 제한되지는 않지만, 예를 들어, 리튬 철인산화물 및 이에 타원소가 치환 또는 것을 들 수 있다.
상기 타원소는 Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V 및 도핑된 물질로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 Fe로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 원소일 수 있다.
또한, 상기 음극은 그 종류에 있어 제한되지는 않지만, 예를 들어, 탄소계 음극 활물질 또는 실리콘계 음극 활물질을 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 활물질을 포함하는 코어의 표면에 코팅 또는 도핑된 금속 소재는, 전극의 전기 전도도를 향상시킬 수 있는 성질을 갖는 것으로, 산화 반응이 일어나는 양극 및 환원 반응이 일어나는 음극 각각에 사용되는 금속 소재의 종류가 다를 수 있다. 예를 들어, 양극의 경우에는 산화 안전성이 우수한 알루미늄(Al)이 사용될 수 있고, 음극의 경우에는 환원 안전성이 우수한 구리(Cu) 및 니켈(Ni)이 사용될 수 있다.
상기 전극은 코어 표면의 20% 내지 90%가 상기 금속 재료로 코팅 또는 도핑될 수 있는 바, 상기 금속 재료가 코어 표면의 20% 보다 적은 면적에 코팅 또는 도핑되는 경우에는 전기 전도도를 향상시키기 위한 목적을 달성하기 어렵고, 90% 보다 넓은 면적에 코팅 또는 도핑되는 경우에는 리튬 이온의 이동 경로에 영향을 주어 원활한 이동이 어려울 수 있으므로 바람직하지 않다.
다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 전극은, 전기 전도도를 향상시키기 위하여 코어-쉘 구조의 전극 이외에 추가적으로 도전재를 더 포함하는 구조일 수 있으며, 상기 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 탄소 섬유 및 금속 섬유의 도전성 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 도전재는 전극 합제의 전체 중량을 기준으로 1% 내지 10%로 포함될 수 있는 바, 상기 도전재의 함량이 1% 미만으로 포함되는 경우에는, 전기 전도도를 향상시키기 위한 목적을 달성하기 어렵고, 10%보다 많이 포함되는 경우에는, 코어-쉘 구조의 전극의 함량이 상대적으로 줄어들게 되어 전지의 용량이 감소하는 문제가 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다.
본 발명은, 상기 전극이 분리막에 코팅된 이차전지를 제공한다.
구체적으로, 상기 코어-쉘 구조의 전극 활물질을 포함하는 전극 합제 또는 이에 도전재가 더 포함된 전극 합제를 분리막 위에 코팅하여 전극조립체를 완성할 수 있는 바, 별도의 전극 집전체와 같은 구조가 필요없이 에너지 밀도가 향상된 이차전지를 제공할 수 있다.
상기 전극조립체의 예시로서, 하나의 분리막의 일면에는 양극 합제를 코팅하고 타면에는 음극 합제를 코팅하여 모노셀(mono-cell)을 구성할 수 있고, 하나의 분리막의 일면에 양극 합제를 코팅하여 양극을 제조하고, 다른 하나의 분리막의 일면에 음극 합제를 코팅하여 음극을 제조한 후 상기 전극 합제가 코팅된 면을 상면으로 향하도록 양극 및 음극을 적층한 구조의 전극조립체를 제조할 수 있다.
또는, 하나의 분리막의 양면에 양극 합제를 코팅하여 양극을 제조하고 다른 하나의 분리막의 양면에 음극 합제를 코팅하여 음극을 제조한 상기 양극 및 음극 사이에 추가적인 분리막을 개재하여 적층한 구조가 한 개 또는 둘 이상 적층된 구조의 전극조립체를 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체를 조립하는 이차전지 및, 상기 이차전지를 포함하는 전지팩을 제공할 수 있다.
구체적으로, 상기 전지팩은 고온 안전성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 이러한 디바이스의 상세한 예로는, 모바일 전자기기(mobile device), 웨어러블 전자기기(wearable device), 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); 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 발명에서 사용되는 양극은 상기에서 기재한 내용으로 한정되지 않는 바, 상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체에 양극활물질 입자들로 구성된 양극활물질과, 도전재 및 바인더가 혼합된 양극 합제를 도포하여 제조될 수 있고, 필요에 따라서는 상기 양극 합제에 충진제를 더 첨가할 수 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 제조되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 및 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면처리 한 것 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은, 예를 들어, 상기 양극 활물질 입자 외에, 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, LiV3O4, 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, 0.01≤x≤0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등으로 구성될 수 있으며, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 양극에 포함되는 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 양극과 음극 및 전해액을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지를 제공한다. 상기 리튬 이차전지는 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
이하에서는, 상기 리튬 이차전지의 기타 성분에 대해 설명한다.
본 발명에서 사용되는 음극은 상기에서 기재한 내용으로 한정되지 않는 바, 상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체에 음극활물질 입자들로 구성된 음극활물질과, 도전재 및 바인더가 혼합된 음극 합제를 도포하여 제조될 수 있고, 필요에 따라서는 상기 음극 합제에 충진제를 더 첨가할 수 있다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질로는, 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 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 리튬염 함유 비수계 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 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, 폴리불화비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 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, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산트리아미드, 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.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극은, 금속 막 형태의 집전체를 포함하지 않는 전지용 전극으로서, 전극 활물질과 상기 전극 활물질 표면에 금속 소재가 코팅 또는 도핑된 구조의 코어-쉘 구조로 이루어지는 바, 종래에 사용된 전극 집전체의 부피만큼 전극 로딩량이 증가하여 전지의 용량 및 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 전극 집전체를 사용하지 않더라도 전극 활물질 표면에 산화성 또는 환원성이 우수하여 전기 전도도가 높은 금속 소재가 코팅 또는 도핑된 전극을 사용하기 때문에, 높은 전기 전도도를 갖는 전극을 제공할 수 있으므로, 레이트 특성 및 수명 특성이 향상된 이차전지를 제공할 수 있다.
도 1은 하나의 실시예에 따른 코어-쉘 구조인 전극의 단면 모식도이다;
도 2는 도 1의 코어-쉘 구조의 전극의 사시도이다;
도 3은 하나의 실시예에 따른 전극 집전체의 측면도이다;
도 4는 도 3의 전극에 도전재가 더 포함된 전극 집전체의 측면도이다;
도 5는 다른 하나의 실시예에 따른 전극 집전체의 측면도이다;
도 6은 또 다른 하나의 실시예에 따른 전극 집전체의 측면도이다;
도 7은 도 6의 전극 집전체가 상하로 적층된 구조의 측면도이다;
도 8은 또 다른 하나의 실시예에 따른 전극 집전체의 일부분의 측면도이다;
도 9는 실험예 1에 따른 에너지 밀도를 측정한 그래프이다; 및
도 10은 실험예 2에 따른 사이클 특성을 측정한 그래프이다.
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 1은 하나의 실시예에 따른 코어-쉘 구조인 전극의 단면도를 모식적으로 도시하고 있고, 도 2는 도 1의 전극의 사시도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전극(100)은 중심부인 코어에 전극 활물질(101)이 위치하고, 전극 활물질(101)의 표면에는 금속 소재(102)의 코팅층이 형성된 구조로 이루어져 있다. 코팅층은 전극 활물질(101)의 전체 표면에 형성되지 않고 적어도 일부분에 코팅되어 있는 바, 전극 활물질(101)의 표면적을 기준으로 20% 내지 90%의 범위로 코팅층이 형성되어 있다.
도 1 및 2에서는 코팅층을 도시하고 있으나, 상기 코팅층이 형성된 부분과 동일한 부분에서 금속 소재의 도핑이 이루어진 구조를 포함한다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 다양한 전극들로 구성된 전극 집전체의 측면도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 1개의 분리막(130)의 상면에는 양극(100) 및 첨가물들(도시하지 않음)을 포함하는 양극 합제(110)가 도포되어 있고, 분리막(130)의 하면에는 음극 및 첨가물들(도시하지 않음)을 포함하는 음극 합제(120)가 도포되어 있다.
상기 양극 합제 및 음극 합제에는 추가적으로 도전재가 포함될 수 있는 바, 도전재(240)을 포함하는 양극 합제(210) 및 도전재(240)를 포함하는 음극 합제(220)가 분리막(230)의 상면 및 하면 각각에 도포된 구조의 전극조립체를 형성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 코어-쉘 구조의 양극을 포함하는 양극 합제층(311)이 분리막(331)의 상면에 형성된 양극 적층체(310), 코어-쉘 구조의 음극을 포함하는 음극 합제층(321)이 분리막(332)의 상면에 형성된 음극 적층체(320)가 교대로 적층되어 스택형 전극조립체를 구성하고 있다.
양극 적층체(310), 및 음극 적층체(320)의 음극(321)의 결합체는 적층된 상태에서 도 3의 전극조립체와 외형상 유사한 구조이나, 도 3의 전극조립체는 분리막(130)의 양면에 서로 다른 전극 합제층들(110, 120)이 코팅되어 형성된 반면, 도 5의 전극조립체는 분리막(331, 332)의 일측면에만 양극 합제층(311) 또는 음극 합제층(321)이 형성된 구조인 점에서 차이가 있다.
도 6을 참조하면, 전극조립체(400)는, 코어-쉘 구조의 양극을 포함하는 양극 합제층(411)이 하나의 분리막(431)의 양 측면에 형성된 양극 적층체(410), 및 코어-쉘 구조의 음극을 포함하는 음극 합제층(421)이 하나의 분리막(432)의 양 측면에 형성된 음극 적층체(420)가 분리막(433)의 상면 및 하면에 위치하는 구조로 이루어져 있습니다.
도 7은 도 6의 전극조립체 2개가 적층된 구조의 전극조립체의 측면도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 7을 참조하면, 전극조립체(400a)는 전극조립체(400)가 상하로 적층되어 있고 전극조립체들(400) 사이에는 분리막(434)이 개재된 구조로 이루어져 있다. 도 7은 2개의 전극조립체(400)가 적층된 구조를 도시하고 있으나, 이차전지가 사용되는 디바이스에서 요구하는 용량 및 디바이스의 형상에 따라 전극조립체의 개수가 선택적으로 설계될 수 있으므로, 3개 이상의 전극조립체(400)가 적층된 구조로 이루어질 수 있다.
도 8은 또 다른 하나의 전극조립체의 일부분의 측면도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 8을 참조하면, 전극조립체(500)는 분리막(531)의 양측면에 양극 합제층(510)이 형성된 양극 적층체와 분리막(532)의 양측면에 음극 합제층(520)이 형성된 음극 적층체가 분리막(533)을 사이에 개재한 상태로 적층된 구조인 점에서 도 6의 전극조립체(400)와 유사하나, 전극조립체(500)는 긴 시트형의 전극 합제층 및 분리막을 사용하여 화살표 방향으로 권취한 구조의 젤리-롤형 전극조립체인 점에서 차이가 있다.
추가적으로, 도 5 내지 도 8의 전극조립체에는 추가적으로 도전재를 포함할 수 있으며, 상기와 같이 별도의 전극 집전체를 사용하지 않고 분리막 상에 바로 전극 합제층이 형성된 구조의 전극조립체를 사용함으로써, 전지의 용량 및 에너지 밀도가 향상된 이차전지를 제공할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
리튬 코발트 산화물의 양극 활물질을 포함하는 양극 합제를 알루미늄 foil의 단면에 코팅하여 양극을 제조하고, 천연 흑연의 음극 활물질 표면에 구리(Cu)가 코팅된 코어-쉘 구조의 복합체를 포함하는 음극 합제를 제조하였다.
분리막의 일면에 상기 음극 합제를 코팅하고, 타면에는 상기 양극을 위치시킨 후 압연하여 전극조립체를 제조하였다.
<실시예 2>
리튬 코발트 산화물의 양극 활물질의 표면에 알루미늄(Al)이 코팅된 코어-쉘 구조의 복합체를 포함하는 양극 합제를 제조하고, 상기 양극 합제를 분리막의 타면에 코팅한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 전극조립체를 제조하였다.
<비교예 1>
리튬 코발트 산화물의 양극 활물질을 포함하는 양극 합제, 및 천연 흑연의 음극 활물질을 포함하는 음극 합제를 제조하여, 상기 양극 합제 및 음극 합제를 분리막의 양측면에 각각 코팅시킨 후 건조 및 압연하여 전극조립체를 제조하였다.
<비교예 2>
리튬 코발트 산화물의 양극 활물질을 포함하는 양극 합제를 알루미늄 foil의 단면에 코팅하여 양극을 제조하고, 천연 흑연의 음극 활물질을 포함하는 음극 합제를 구리(Cu) foil의 단면에 코팅하여 음극을 제조하였다.
상기 양극 및 음극을 분리막의 양측면에 각각 위치시킨 후 압연하여 전극조립체를 제조하였다.
상기 실시예 1, 2 와 비교예 1, 2에서 제조된 전극의 구성은 하기와 같다.
Figure pat00001
<실험예 1>
상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 전극조립체를 포함하는 코인셀(coin cell)을 제조하여 에너지 밀도를 측정하였다. 측정된 에너지 밀도 값은 도 9에 나타내었다.
도 9를 참조하면, 비교예 2의 에너지 밀도를 기준(100%)으로, 실시예 1은 103%, 실시예 2는 107%의 에너지 밀도를 갖는 것으로 측정되었다. 즉, 실시예 1과 같이 집전체가 없고 음극 활물질 표면에 금속이 코팅된 코어-쉘 구조의 음극을 사용하는 경우 에너지 밀도가 3% 상승되며, 실시예 2와 같이 양극과 음극 모두에 금속이 표면에 코팅된 코어-쉘 구조의 전극을 사용하는 경우 에너지 밀도가 7% 상승됨을 알 수 있다.
<실험예 2>
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전극조립체를 이용하여 제조된 코인셀의 사이클 특성을 측정하였고, 그 결과를 도 10에 나타내었다.
도 10을 참조하면, 비교예 1의 경우 집전체가 존재하지 않고 활물질의 전도성이 매우 낮기 때문에 충/방전이 원활히 진행되지 않아 급격한 용량 퇴화가 발생하였다. 실시예 1의 경우 음극에 집전체가 존재하지 아니하나 음극 활물질에 Cu가 코팅되어 있기 때문에 충/방전의 효율성이 증가하는 바, 50회 사이클에서도 80% 이상의 용량을 갖는 것으로 나타나고 있다. 따라서, 본원발명의 경우 사이클 특성이 현저히 높게 나타나는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 전극 집전체를 사용하지 않고 전극 활물질 표면에 금속이 코팅된 코어-쉘 구조의 복합체를 사용하는 경우에는 에너지 밀도가 증가할 뿐 아니라, 사이클 특성이 향상되는 것을 알 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100: 전극
101: 전극 활물질
102: 금속 코팅층
110, 210, 311, 411, 510: 양극 합제
120, 220, 321, 421, 520: 음극 합제
240: 도전재
130, 230, 331, 332, 431, 432, 433, 434, 531, 532, 533: 분리막
310, 410: 양극 적층체, 320, 420: 음극 적층체
400, 400a, 500: 전극조립체

Claims (14)

  1. 금속 막 형태의 집전체를 포함하지 않는 전지용 전극에 있어서,
    전극 활물질을 포함하는 코어 및 상기 코어의 표면에 금속 소재가 코팅 또는 도핑된 코어-쉘 구조로 이루어지는 전극.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 양극 및/또는 음극인 전극.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 양극은 하기 화학식 1 내지 3으로 표현되는 양극 활물질 중 적어도 하나를 포함하는 전극:
    LiaCo1-xMxO2 (1)
    LiaMn2-yMyO4 (2)
    LiaFe1-zMzPO4 (3)
    상기 식에서, 0.8≤a≤1.2; 0≤x≤0.8; 0≤y≤0.6, 0≤z≤0.5 이고,
    M은 Ti, Cd, Cu, Cr, Mo, Mg, Al, Ni, Nb, V 및 Zr로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이다.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 음극은 탄소계 음극 활물질 또는 실리콘계 음극 활물질을 포함하는 전극.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 소재는 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 전극.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어 표면의 20% 내지 90%가 상기 금속 재료로 코팅 또는 도핑된 전극.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 도전재를 더 포함하는 전극.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 탄소 섬유 및 금속 섬유의 도전성 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 전극.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 전극이 분리막에 코팅된 이차전지.
  10. 제 9 항에 따른 이차전지에 있어서, 상기 이차전지는 하나의 분리막의 일면에 양극 합제가 코팅되고 타면에 음극 합제가 코팅된 구조의 전극조립체를 포함하는 이차전지.
  11. 제 9 항에 따른 이차전지에 있어서, 상기 이차전지는 하나의 분리막의 일면에 양극 합제가 코팅된 양극, 및 다른 하나의 분리막의 일면에 음극 합제가 코팅된 음극으로 구성되고, 상기 양극 합제 및 음극 합제가 코팅된 면이 상면을 향하도록 상기 양극 및 음극이 적층된 구조의 전극조립체를 포함하는 이차전지.
  12. 제 9 항에 따른 이차전지에 있어서, 상기 이차전지는 하나의 분리막의 양면에 양극 합제가 코팅된 양극, 및 다른 하나의 분리막의 양면에 음극 합제가 코팅된 음극 사이에 추가적인 분리막을 개재하여 적층한 구조가 한 개 또는 둘 이상 적층된 구조의 전극조립체를 포함하는 이차전지.
  13. 제 9 항에 따른 이차전지에 있어서, 상기 이차전지는 하나의 분리막의 양면에 양극 합제가 코팅된 양극, 및 다른 하나의 분리막의 양면에 음극 합제가 코팅된 음극 사이에 추가적인 분리막을 개재한 후 권취한 구조의 전극조립체를 포함하는 이차전지.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 하나의 항에 따른 이차전지를 포함하는 전지팩.
KR1020170091275A 2017-07-19 2017-07-19 집전체가 없는 전극 및 이를 포함하는 이차전지 KR102263467B1 (ko)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170091275A KR102263467B1 (ko) 2017-07-19 2017-07-19 집전체가 없는 전극 및 이를 포함하는 이차전지
CN201880023678.8A CN110495022B (zh) 2017-07-19 2018-07-03 无集电器的电极和包括该电极的二次电池
EP18834370.1A EP3654415A4 (en) 2017-07-19 2018-07-03 ELECTRODE WITHOUT ELECTRICITY COLLECTOR AND SECONDARY BATTERY WITH IT
PCT/KR2018/007497 WO2019017617A1 (ko) 2017-07-19 2018-07-03 집전체가 없는 전극 및 이를 포함하는 이차전지
US16/745,904 US11581532B2 (en) 2017-07-19 2020-01-17 Electrode having no current collector and secondary battery including the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170091275A KR102263467B1 (ko) 2017-07-19 2017-07-19 집전체가 없는 전극 및 이를 포함하는 이차전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190009489A true KR20190009489A (ko) 2019-01-29
KR102263467B1 KR102263467B1 (ko) 2021-06-11

Family

ID=65015929

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170091275A KR102263467B1 (ko) 2017-07-19 2017-07-19 집전체가 없는 전극 및 이를 포함하는 이차전지

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11581532B2 (ko)
EP (1) EP3654415A4 (ko)
KR (1) KR102263467B1 (ko)
CN (1) CN110495022B (ko)
WO (1) WO2019017617A1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3977548A1 (en) * 2019-05-28 2022-04-06 Leapagro ApS A laminate, a battery and a method
DE102022201736A1 (de) 2022-02-18 2023-08-24 Volkswagen Aktiengesellschaft Batteriezelle sowie Verfahren zur Fertigung einer solchen Batteriezelle
CN115376828B (zh) * 2022-08-03 2024-07-30 华为数字能源技术有限公司 电极箔及其制备方法、电容器及电子装置

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008258031A (ja) 2007-04-05 2008-10-23 Denso Corp ポリマー二次電池
JP2011210490A (ja) 2010-03-29 2011-10-20 Dainippon Printing Co Ltd 活物質粒子、非水電解液二次電池用正極板およびこれらの製造方法、ならびに非水電解液二次電池、
CN102651476A (zh) 2012-05-28 2012-08-29 深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司 锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法
KR20140117205A (ko) * 2013-03-26 2014-10-07 삼성전자주식회사 음극, 이를 포함하는 리튬전지, 및 이의 제조 방법
KR20150027003A (ko) * 2013-09-02 2015-03-11 주식회사 엘지화학 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 이차전지
KR20150101873A (ko) 2014-02-27 2015-09-04 삼성에스디아이 주식회사 양극 활물질, 이를 채용한 양극과 리튬 전지 및 이의 제조 방법
KR20160010296A (ko) * 2014-07-17 2016-01-27 삼성전자주식회사 리튬 이온 이차 전지의 양극 및 리튬 이온 이차 전지
KR20170009967A (ko) * 2014-05-22 2017-01-25 더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아 배터리 전극 및 방법

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1313158A3 (en) 2001-11-20 2004-09-08 Canon Kabushiki Kaisha Electrode material for rechargeable lithium battery, electrode comprising said electrode material, rechargeable lithium battery having said electrode , and process for the production thereof
KR100433822B1 (ko) * 2002-01-17 2004-06-04 한국과학기술연구원 금속이 피복된 탄소 활물질, 이의 제조방법, 및 이를포함하는 금속-탄소 하이브리드 전극 및 리튬이차전지
KR101047690B1 (ko) 2007-07-26 2011-07-08 주식회사 엘지화학 코어-쉘 구조의 전극활물질
KR20110100114A (ko) 2010-03-03 2011-09-09 이형곤 배터리와 전극 및 활물질미세입자
KR101308677B1 (ko) 2011-05-31 2013-09-13 주식회사 코캄 리튬 이차전지
JPWO2013146464A1 (ja) * 2012-03-29 2015-12-10 住友電気工業株式会社 電極材料、及びこの電極材料を用いたキャパシタ、二次電池
KR101946012B1 (ko) * 2012-07-11 2019-02-08 삼성전자주식회사 리튬 이온 전도체, 이를 포함한 고체 전해질, 이를 포함한 활물질 및 상기 리튬 이온 전도체를 포함한 리튬 전지
EP2822085B1 (en) * 2013-05-07 2018-03-07 LG Chem, Ltd. Cable-type secondary battery
KR101650024B1 (ko) * 2013-09-25 2016-08-22 주식회사 엘지화학 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
WO2015051309A1 (en) * 2013-10-04 2015-04-09 Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Large-volume-change lithium battery electrodes
CN103762349B (zh) * 2014-01-26 2016-05-11 长沙矿冶研究院有限责任公司 核壳结构CuO/Cu纳米线负极材料及其制备方法和应用
KR101589294B1 (ko) * 2014-01-29 2016-01-28 주식회사 포스코 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR20150137541A (ko) * 2014-05-30 2015-12-09 에스케이이노베이션 주식회사 리튬 이차전지
KR101583948B1 (ko) 2014-06-24 2016-01-08 현대자동차주식회사 리튬황 전지용 양극
US9608288B2 (en) * 2014-07-17 2017-03-28 Samsung Electronics Co., Ltd. Positive electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery including the same
KR20170091275A (ko) 2016-01-31 2017-08-09 박형준 네비게이션을 이용한 공기순환 설정방법
US11870052B2 (en) * 2016-11-17 2024-01-09 Worcester Polytechnic Institute Sprayed formation of batteries

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008258031A (ja) 2007-04-05 2008-10-23 Denso Corp ポリマー二次電池
JP2011210490A (ja) 2010-03-29 2011-10-20 Dainippon Printing Co Ltd 活物質粒子、非水電解液二次電池用正極板およびこれらの製造方法、ならびに非水電解液二次電池、
CN102651476A (zh) 2012-05-28 2012-08-29 深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司 锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法
KR20140117205A (ko) * 2013-03-26 2014-10-07 삼성전자주식회사 음극, 이를 포함하는 리튬전지, 및 이의 제조 방법
KR20150027003A (ko) * 2013-09-02 2015-03-11 주식회사 엘지화학 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 이차전지
KR20150101873A (ko) 2014-02-27 2015-09-04 삼성에스디아이 주식회사 양극 활물질, 이를 채용한 양극과 리튬 전지 및 이의 제조 방법
KR20170009967A (ko) * 2014-05-22 2017-01-25 더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아 배터리 전극 및 방법
KR20160010296A (ko) * 2014-07-17 2016-01-27 삼성전자주식회사 리튬 이온 이차 전지의 양극 및 리튬 이온 이차 전지

Also Published As

Publication number Publication date
EP3654415A4 (en) 2020-07-29
EP3654415A1 (en) 2020-05-20
US11581532B2 (en) 2023-02-14
KR102263467B1 (ko) 2021-06-11
US20200227740A1 (en) 2020-07-16
CN110495022B (zh) 2022-07-19
WO2019017617A1 (ko) 2019-01-24
CN110495022A (zh) 2019-11-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101545886B1 (ko) 다층구조 전극 및 그 제조방법
KR101717220B1 (ko) 둘 이상의 집전체를 구비하는 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR101502832B1 (ko) 성능이 우수한 리튬 이차전지
KR101527748B1 (ko) 전극의 제조방법 및 이를 사용하여 제조되는 전극
KR101495302B1 (ko) 다층구조 전극 및 그 제조방법
KR101792750B1 (ko) 이중의 양극 활물질층을 포함하는 양극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR101506451B1 (ko) 이차전지용 음극
CN110495022B (zh) 无集电器的电极和包括该电极的二次电池
KR101506452B1 (ko) 이차전지용 양극
KR101684336B1 (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101451193B1 (ko) 성능이 우수한 리튬 이차전지
KR101514303B1 (ko) 전극의 제조방법 및 이를 사용하여 제조되는 전극
KR101507450B1 (ko) 성능이 우수한 리튬 이차전지
KR20150014828A (ko) 안전성이 향상된 양극 합제 및 이를 포함하는 이차전지
KR101622098B1 (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101666413B1 (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101661254B1 (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101645463B1 (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101514297B1 (ko) 전극의 제조방법 및 이를 사용하여 제조되는 전극
KR20150014884A (ko) 이차전지용 전극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20150043721A (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR20130118243A (ko) 이차전지용 전극
KR20130118247A (ko) 전극의 제조방법 및 이를 사용하여 제조되는 전극
KR101643583B1 (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101666415B1 (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)