KR20190032241A - 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

양극 집전체 상에 형성된 제1양극 합제층; 및 상기 제1양극 합제층 상에 형성된 제2양극 합제층을 포함하며, 상기 제1양극 합제층은, 4.25 내지 6.0 V의 작동 전압을 가지며, 충전 시 리튬 및 가스를 발생하는 과충전용 활물질을 포함하는 이차전지용 양극, 상기 이차전지용 양극 및 상기 양극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.

Description

이차전지용 양극 및 이를 포함하는 이차전지{POSITIVE ELECTRODE FOR SECONDARY BATTERY AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 이차전지용 양극 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지며, 사이클 수명이 길고, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
그러나, 리튬 이차전지의 경우, 정상적인 충전영역을 벗어나서 과도하게 충전될 수 있고, 이러한 현상을 과충전 현상이라고 한다. 리튬 이차전지가 정상적인 작동전압 이상으로 과충전되는 경우, 전지 내에 전기적인 저항에 의하여 열이 발생하여 점점 온도가 상승하게 되고, 이 때 양극에서는 정상충전상태에 비해 과량의 리튬이 나오게 되고, 음극에서는 수용할 수 있는 수준보다 더 많은 양의 리튬이 들어오고자 하여 잉여 리튬들이 음극 표면에 리튬 금속 형태로 석출된다. 또한 과충전시 양극에서는 구조붕괴가 일어나 열에너지뿐만 아니라 산소를 제공하게 되며, 양극과 음극에서 급격하게 발생된 열에 의해 분리막이 녹게 되면, 양극과 음극이 내부 단락(inter short)이 되는 상태로 진전될 수 있다. 이러한 상태에 도달하면 전지는 극도로 위험해지며 심지어 폭발까지 할 수 있다.
따라서 상기와 같은 문제를 해소하기 위하여 전해액에 과충전 방지제 등과 같은 첨가제를 더 포함하는 방법 등에 대한 연구 및 이와 관련된 물질의 개발이 활발하게 연구되고 있다. 그러나, 전해액에 방지제를 포함하더라도, 양극 또는 음극의 발열 현상을 미연에 방지하기는 어렵다는 문제가 있다.
한편, 과충전시 저항이 증가함에 따라 전압이 증가하게 되는 오버슈팅(Overshooting) 현상이 발생한다. 그러나, 오버슈팅 현상이 발생하기 전에 전지가 발열하거나 폭발하게 되어 안전성이 확보되지 않은 전지의 안정성이 저해된다는 문제가 있다.
한국 등록공보 제1558774호
본 발명은 과충전 기준 전압(약 8V 내지 10V)에 도달하기 전 전지 내에 축적된 열에 의하여 전지가 폭발하거나 발열되는 것을 방지할 수 있는 이차전지용 양극을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 양극 집전체 상에 형성된 제1양극 합제층; 및 상기 제1양극 합제층 상에 형성된 제2양극 합제층을 포함하며, 상기 제1양극 합제층은, 4.25 내지 6.0 V의 작동 전압을 가지며, 충전 시 리튬 및 가스를 발생하는 과충전용 활물질을 포함하는 이차전지용 양극을 제공한다.
또한, 본 발명은 양극 집전체 상에 제1양극 합제층을 형성하는 단계; 및 상기 제1양극 합제층 상에 제2양극 합제층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제1양극 합제층은, 4.25 내지 6.0 V의 작동 전압을 가지며, 충전 시 리튬 및 가스를 발생하는 과충전용 활물질을 포함하는 이차전지용 양극 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 이차전지용 양극을 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지용 양극은 일반적인 리튬 이차 전지의 작동 전압대 보다 높은 과충전 전압대에서 전지가 구동되어 충전되는 경우, 리튬 및 가스를 발생하는 과충전용 활물질을 포함하는 합제층을 포함한다. 따라서, 이차전지가 과충전되는 도중 전지 내에 축적되어 있는 잔열 및 발열 현상에 의하여 전지가 손상되거나 폭발하기 전에, 전지의 저항 및 전압이 급격하게 증가하게 되어 전지의 수명특성 및 안전성이 향상될 수 있다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이때, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이차전지가 과충전되는 경우, 전해액 산화 분해 반응에 따른 발열 및 이에 전지에 축적된 열에 의하여 이차전지는 폭발되거나 발화현상이 발생된다는 문제점이 있었다. 다만, 일반적으로 이차전지가 과충전되는지 여부는 이차전지의 전압이 8 내지 10 V 정도의 고압에 도달하였는지를 기준으로 평가하는데, 전압이 급격하게 증가하기 전에 전해질이 분해됨에 따른 발열 현상에 의하여 전지가 폭발하거나 발화되어 전지의 안정성이 저하된다는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명자는 일반적으로 전지가 구동되는 전압보다는 높은 전압이고, 과충전시 전해액이 산화 분해되기 시작하는 전압의 범위보다는 낮은 범위에서 리튬 및 가스를 발생할 수 있는 과충전용 활물질 층을 양극의 일면에 적층하였다. 이에 따라, 상기 전압 범위로 전지가 충전되는 경우, 가스가 발생되어 저항이 급격하게 상승하고 이에 비례하도록 전압이 급격하게 상승할 수 있는 이차전지용 양극을 고안하였다.
본 발명에 따른 과충전용 양극 활물질로 이루어진 층이 형성된 양극을 사용하는 경우, 과충전 범위의 전극에 도달하는 과정에서 전해액에 분해됨에 따른 발열반응이 발생하기 전에 과충전용 양극 활물질의 반응으로 인한 저항 상승으로 양극의 전압이 급격하게 상승하게 되어 종료 조건의 전압에 해당되는 전압 범위에 도달하게 되어, 전해액의 산화 분해 반응에 의한 발열 또는 폭발을 방지할 수 있는 이차전지용 양극, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.
이차전지용 양극
이하 본 발명에 따른 이차전지용 양극에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 이차전지용 양극은, 양극 집전체 상에 형성된 제1양극 합제층; 및 상기 제1양극 합제층 상에 형성된 제2양극 합제층을 포함하며, 상기 제1양극 합제층은, 4.25 내지 6.0 V의 작동 전압을 가지며, 충전 시 리튬 및 가스를 발생하는 과충전용 활물질을 포함한다.
본 발명이 있어서, 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 양극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
한편, 상기 양극 집전체 상에 형성된 제1양극 합제층은, 4.25 내지 6.0 V의 작동 전압을 가지며, 충전 시 리튬 및 가스를 발생하는 과충전용 활물질을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 작동 전압이라는 것은 전압이 상기 범위에 도달하는 경우, 상기 과충전용 활물질이 리튬 및 가스를 발생하는 전압범위를 의미하는 것으로서, 상기 범위에 반드시 한정되는 것은 아니고, 일반적으로 이차전지가 구동되는 전압 범위보다는 높지만, 전해액이 산화 분해하여 발생하는 반응열이 생성되는 전압보다 낮은 전압대라면 상기 제1양극 합제층의 작동 전압 범위로 볼 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 과충전용 활물질은 탄소 원소, 및 질소 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 것일 수 있다. 과충전용 활물질이 상기 탄소 원소 및/또는 질소 원소를 포함하는 경우, 상기 작동 전압의 범위 내에서 이산화탄소(CO) 및/또는 일산화탄소(CO2)를 발생시키며 기화된다. 상기 제1양극 합제층에 포함되어 있는 과충전용 활물질이 가스를 발생하며 기화됨과 동시에 양극의 구성 일부가 소실되므로, 양극 저항이 급격하게 상승하게 된다. 이에 따라, 양극 저항에 비례하게 양극의 전압 또한 상승하게 되어 전해액이 산화 분해되어 이차전지 내부에 열이 발생하기 이전에 전압의 공급이 중단된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 과충전용 활물질은 Li2C2O4, Li2C4O4, Li2C3O5, Li2C4O6 및 LiN3로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것일 수 있고, 특히, 상기 특정 작동 전압의 범위 내에서 반응에 민감성이 높은 물질로서, 보다 바람직하게는, 과충전용 활물질은 Li2C2O4 인 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 과충전용 활물질은 상기 제1양극 합제층 총 중량 대비 60 내지 99.9 중량%, 바람직하게는 65 내지 99.9 중량%, 보다 바람직하게는 70 내지 99.9 중량%로 포함될 수 있다. 상기 과충전용 활물질이 상기 범위 내로 포함되는 경우에는 전지에 작동 전압 범위 내 전압이 가해지는 경우 리튬 및 가스가 충분하게 발생하여 저항 및 전압이 일정 수준 이상으로 상승할 수 있다. 또한, 상기 과충전용 활물질이 상기 범위내로 포함되는 경우 전지의 용량이 상대적으로 상승할 수 있다. 따라서, 상기 과충전용 활물질은 상기 범위 내로 포함되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 제1양극 합제 층의 두께는 0.1 내지 30 ㎛, 보다 바람직하게는 0.2 내지 10 ㎛이다. 제1양극 합체 층의 두께가 상기 범위보다 얇은 경우에는 전지에 공급되는 전압이 작동 범위의 전압에 도달하여 리튬 및 가스가 발생한다고 하더라도, 발생되는 가스의 양이 적음은 물론, 그에 따라 저항이 상승되는 정도 또한 낮아 양극의 전압이 급격하게 상승하기 어렵다. 한편, 상기 제1양극 합제 층이 상기 범위를 초과하는 수준의 두께로 형성되는 경우에는 전극의 충/방전 성능이 저하될 수 있고, 전지에 공급되는 전압이 작동 범위의 전압에 도달한 이후에도 상기 제1양극 합제 층 일부는 양극 상에 존재하게 되어, 양극의 저항이 급격하게 상승하지 못하고, 전해질 산화 분해 반응을 지속적으로 유도할 수 있으므로, 발열반응에 의하여 전지의 안정성이 저하될 수 있다.
본 발명에 있어서, 제1양극 합제층이란, 앞서 설명한 과충전용 활물질과 함께, 바인더 및 도전재를 더 포함할 수 있다.
상기 바인더는 양극활물질 입자들 간의 부착 및 양극활물질과 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 제1양극 합제층 총 중량에 대하여 0.1 내지 40 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 35 중량%, 보다 바람직하게는 0.1 내지 30 중량%로 포함될 수 있다. 상기 바인더가 상기 범위 미만으로 포함되면, 제1양극 합제층과 상기 양극 집전체 간의 부착력이 약하여 전지의 수명특성이 저하될 수 있으며, 바인더가 상기 범위를 초과하여 포함되는 경우에는 제1양극 합제층을 형성하는 공정 도중 점도가 높아지거나, 상기 제1양극 합제층을 구성하는 물질들끼리 응집하게 될 수 있어 제1양극 합제층이 균일하게 형성되지 않아 전지의 수명특성이 저하될 수 있으므로, 상기 바인더는 상기 범위 내로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
상기 도전재는 양극활물질층 총 중량에 대하여 0.1 내지 40 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 35 중량%, 보다 바람직하게는 0.1 내지 30 중량%로 포함될 수 있다. 상기 도전재가 상기 범위 내로 포함되는 경우 일정 수준 이상의 전도성을 전극에 부여할 수 있다. 다만, 상기 범위 미만으로 포함되는 경우에는 일정 수준 이상의 도전성을 전극에 부여하기 어렵고, 상기 범위를 초과하여 포함되는 경우에는 도전재 간의 응집현상이 발생하여 제1양극 합제층이 균일하게 형성되지 않아 전지의 수명특성이 저하될 수 있으므로 상기 도전재는 상기 범위 내로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 제2양극 합제층이란, 상기 제1양극 합제층 상에 형성된 층으로서, 양극활물질로 리튬 전이금속 산화물을 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 리튬 전이금속 산화물로서, Lix1CoO2(0.5<x1<1.3), Lix2NiO2(0.5<x2<1.3), Lix3MnO2(0.5<x3<1.3), Lix4Mn2O4(0.5<x4<1.3), Lix5(Nia1Cob1Mnc1)O2(0.5<x5<1.3, 0<a1<1, 0<b1<1, 0<c1<1, a1+b1+c1=1), Lix6Ni1-y1Coy1O2(0.5<x6<1.3, 0<y1<1), Lix7Co1-y2Mny2O2(0.5<x7<1.3, 0≤y2<1), Lix8Ni1-y3Mny3O2(0.5<x8<1.3, O≤y3<1), Lix9(Nia2Cob2Mnc2)O4(0.5<x9<1.3, 0<a2<2, 0<b2<2, 0<c2<2, a2+b2+c2=2), Lix10Mn2-z1Niz1O4(0.5<x10<1.3, 0<z1<2), Lix11Mn2-zCozO4(0.5<x11<1.3, 0<z<2), Lix12CoPO4(0.5<x12<1.3), Lix13FePO4(0.5<x13<1.3) 및 Li1+a3[Nix14Mny3Coz2Mv1]O(2-c)Ac3 (M은 Al, Zr, Zn, Ti, Mg, Ga 및 In으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소이고; A는 P, F, S 및 N로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이며, 0≤x14≤1.0, 0≤y3<0.6, 0≤z2<0.6, 0≤v1≤0.1, 0≤a3<0.3, 0≤c3≤0.2, a3+x14+y3+z2+v1=1)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제2양극 합제층 또한, 바인더 및 도전재를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2양극 합제층에 사용되는 바인더 및 도전재는 상기 제1양극 합제층에 사용되는 바인더 및 도전재의 종류와 동일하며, 상기 바인더 및 도전재의 종류에 대해서는 상기에 설명한 것과 동일하다.
한편, 상기 제2양극 합제층의 경우, 상기 리튬 전이금속 산화물, 바인더 및 도전재를 포함하였을 때, 상기 제2양극 합제층 총 중량 대비 상기 리튬 전이금속 산화물은 80 내지 99.9 중량%, 바람직하게는 85 내지 99.9 중량%, 보다 바람직하게는 90 내지 99.9 중량% 포함될 수 있다.
상기 바인더는 상기 제2양극 합제층 총 중량 대비 0.1 내지 20 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 15 중량%, 보다 바람직하게는 0.1 내지 10 중량% 포함될 수 있다.
상기 도전재는 상기 제2양극 합제층 총 중량 대비 0.1 내지 20 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 15 중량%, 보다 바람직하게는 0.1 내지 10 중량% 포함될 수 있다.
상기 리튬 전이금속 산화물이 상기 범위 미만으로 포함되는 경우, 음극에 리튬 이온이 충분히 공급되지 않을 수 있으며, 상기 범위를 초과하여 포함되는 경우 전극의 도전성 및 접착력 부족으로 전지의 성능이 저하될 수 있다. 따라서, 전지의 용량, 수명성능을 고려할 때 상기 범위 내로 상기 리튬 전이금속 산화물이 포함되는 것이 보다 바람직하다. 상기 제2양극 합제층의 경우, 상기 범위 내로 바인더 및 도전재를 포함하는 경우, 제1양극 합제층 및 제2양극 합제층 간의 부착성이 향상될 수 있고, 도전성 또한 일정 수준 이상 유지할 수 있다. 그러나, 상기 범위 미만으로 바인더가 포함되는 경우, 상기 제2양극 합제층 및 상기 제1양극 합제층과의 부착력이 저하될 수 있으며, 상기 범위 미만으로 도전재가 포함되는 경우, 상기 제2양극 합제층의 도전성 또한 저하될 수 있다. 또한, 상기 범위를 초과하여 바인더 및 도전재가 포함되는 경우, 제2양극 합제층을 형성하는 물질 간의 응집현상이 발생하여 제1양극 합제층과의 접착력이 되려 저하될 수 있어 전지 수명 특성이 저하될 수 있다. 따라서 상기 바인더 및 상기 도전재는 상기 범위 내로 포함되는 것이 보다 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 제2양극 합제층 층의 두께는 20 내지 500 ㎛, 보다 바람직하게는 50 내지 300 ㎛이다. 상기 제2양극 합제층의 두께가 상기 범위 미만인 경우에는 전지 내에 리튬 이온이 충분히 공급되지 않을 수 있고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 양극의 총 두께가 증가하면서, 전지의 수명특성 및 안정성이 되려 저하될 수 있으므로, 상기 제2양극 합제층의 두께는 상기 범위 내로 형성되는 것이 보다 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 제1양극 합제층 및 상기 제2양극 합제층의 두께 비는 1:1 내지 1:300, 보다 바람직하게는 1:50 내지 1:200이다. 상기 제1양극 합제층 및 상기 제2양극 합제층의 두께 비가 상기 범위 내인 경우, 상기 제1양극 합제층이 저항 및 전압을 급격하게 상승시킬 정도로 형성되어 전지의 수명성능 및 안정성이 향상될 수 있고, 리튬이온이 충분히 공급되어 전지 용량 또한 향상될 수 있다.
상기 본 발명의 일 실시예에 따른 양극을 포함하는 리튬 이차전지가 과충전 상태가 되었을 때, 상기 제1양극 합제층의 구조 파괴에 의해 상기 양극 집전체와 상기 제2 양극 합제층과의 전기적 접촉이 차단될 수 있다.
이차전지용 양극의 제조방법
이하, 본 발명에 따른 이차전지용 양극의 제조방법에 대해 설명한다.
본 발명에 있어서, (1) 양극 집전체 상에 제1양극 합제층을 형성하는 단계 및 (2) 상기 제1양극 합제층 상에 제2양극 합제층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제1양극 합제층은, 4.25 내지 6.0 V의 작동 전압을 가지며, 충전 시 리튬 및 가스를 발생하는 과충전용 활물질을 포함한다.
(1) 제1양극 합제층 형성 단계
상기 과충전용 활물질을 포함하는 제1양극 합제층을 형성하는 방법은 특별히 제한되지는 않는다. 다만, 보다 바람직하게는 상기 제1양극 합제층을 형성하는 단계는, 상기 과충전용 활물질을 도전재 및 바인더와 혼합하여 제1양극 형성용 조성물을 형성하는 단계; 및 상기 제1양극 형성용 조성물을 양극 집전체 상에 도포하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 과충전용 활물질, 도전재 및 바인더를 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제1양극 형성용 조성물을 제조할 수 있다. 상기 과충전 활물질, 도전재 및 바인더의 종류 및 함량은 앞서 설명한 바와 같다.
한편, 상기 제1양극 형성용 조성물을 형성하는 용매로는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 용매일 수 있으며, 디메틸셀폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤(acetone) 또는 물 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 용매의 사용량은 슬러리의 도포 두께, 제조 수율을 고려하여 과충전용 활물질, 도전재 및 바인더를 용해 또는 분산시키고, 이후 양극 제조를 위한 도포시 우수한 두께 균일도를 나타낼 수 있는 점도를 갖도록 하는 정도면 충분하다.
다음으로, 상기 제1양극 형성용 조성물을 양극 집전체 상에 도포한 후, 건조 및 압연함으로써 제1양극 합제층을 형성할 수 있다.
한편, 다른 방법으로, 상기 제1양극 형성용 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 양극 집전체 상에 라미네이션함으로써 양극을 제조할 수도 있다.
(2) 제2양극 합제층 형성 단계
본 발명에 있어서, 상기 제2양극 합제층은 상기 제1양극 합제층 상에 형성되는 것으로서, 상기 제2양극 합제층을 형성하는 방법이 특별히 제한되는 것은 아니다.
다만, 상기 제2양극 합제층은 상기 리튬 전이금속 산화물을 도전재 및 바인더와 혼합하여 제2양극 형성용 조성물을 형성하는 단계; 및 상기 제2양극 형성용 조성물을 상기 제1양극 합제층 상에 도포하는 단계;를 포함하여 형성될 수 있다.
상기 양극 집전체 상에 형성된 상기 제1양극 합제층 상에 상기 리튬 전이금속 산화물 및 선택적으로, 바인더 및 도전재를 포함하는 상기 제2양극 합제층 조성물을 도포한 후, 건조 및 압연함으로써 제조될 수 있다.
이때, 리튬 전이금속 산화물, 바인더, 도전재의 종류 및 함량, 상기 제2양극 합제층 조성물을 형성하는 용매는 앞서 설명한 바와 같다.
리튬 이차전지
이하, 본 발명에 따른 리튬 이차전지에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 상기 리튬 이차전지는 구체적으로 양극, 상기 양극과 대향하여 위치하는 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해질을 포함한다.
상기 양극은 앞서 설명한 바와 같다. 또, 상기 리튬 이차전지는 상기 양극, 음극, 세퍼레이터의 전극 조립체를 수납하는 전지용기, 및 상기 전지용기를 밀봉하는 밀봉 부재를 선택적으로 더 포함할 수 있다.
상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 위치하는 음극활물질층을 포함한다. 상기 음극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 음극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 양극 집전체와 마찬가지로, 상기 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극활물질층은 음극활물질과 함께 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함한다. 상기 음극활물질층은 일례로서 음극집전체 상에 음극활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함하는 음극 형성용 조성물을 도포하고 건조하거나, 또는 상기 음극 형성용 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 음극집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수도 있다.
상기 음극활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si합금, Sn합금 또는 Al합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; SiOx(0 < x < 2), SnO2, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물과 같이 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 금속산화물; 또는 Si-C 복합체 또는 Sn-C 복합체과 같이 상기 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다. 또, 탄소재료는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소 (soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 무정형, 판상, 인편상, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (meso-carbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.
상기 바인더 및 도전재는 앞서 양극에서 설명한 바와 동일하다.
한편, 상기 리튬 이차전지에 있어서, 세퍼레이터는 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬 이차전지에서 세퍼레이터로 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 세퍼레이터가 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.
또, 본 발명에서 사용되는 전해질로는 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.
상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이중에서도 카보네이트계 용매가 보다 바람직하고, 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카보네이트(예를 들면, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트 등)와, 저점도의 선형 카보네이트계 화합물(예를 들면, 에틸메틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트 등)의 혼합물이 보다 바람직하다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 약 1:1 내지 약 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다.
상기 리튬염은 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2. LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다. 이때 상기 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 양극을 포함하는 리튬 이차전지는 우수한 방전 용량, 출력 특성 및 용량 유지율을 안정적으로 나타내기 때문에, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기, 및 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 등의 전기 자동차 분야 등에 유용하다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예
실시예 1
<제1양극 합제층 형성>
Li2C2O4, 도전재(덴카블랙 KF1100) 및 PVDF바인더를 90:5:5의 중량비로 하고, NMP를 용매로 하여 혼합하였다. 그 결과로 수득된 혼합물을 분산기기(Paste mixer or homo disperse)를 이용하여 30 분 동안 분산처리하여 제1양극 합제층 형성용 조성물(고형분 함량: 약 70중량%)을 제조하였다.
상기 제조된 제1양극 합제층 형성용 조성물을 알루미늄 집전체에 도포한 후, 120℃에서 건조 후, 압연하여 제1양극 합제층을 알루미늄 집전체 상에 형성하였다.
<양극 제조>
이후, LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2, 도전재(덴카블랙 KF1100) 및 PVDF바인더를 96:2:2의 중량비로 하고, NMP를 용매로 하여 혼합하였다. 그 결과로 수득된 혼합물을 분산기기(Paste mixer or homo disperse)를 이용하여 30분 동안 분산처리하여 제2양극 합제층 형성용 조성물(고형분 함량: 약 75중량%)을 제조한 후, 상기 제2양극 합제층 형성용 조성물을 상기 제1양극 합제층 상에 도포한 후, 120℃에서 건조 후, 압연하여 양극을 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 제1양극 합제층 조성물을 제조할 때, Li2C2O4대신 Li2C4O4를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 제1양극 합제층 조성물을 제조할 때, Li2C2O4 대신 LiN3를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.
비교예
비교예 1
상기 실시예 1에서 제1양극 합제층을 형성하지 않고, 상기 제2양극 합제층 형성용 조성물을 곧바로 알루미늄 집전체에 도포한 후 120℃에서 건조 후, 압연한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.
비교예 2
상기 실시예 1에서 제1양극 합제층 조성물을 제조할 때, Li2C2O4대신 Li2CO3를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.
비교예 3
LiNi0 . 6Co0 . 2Mn0 . 2O2, 도전재(덴카블랙 KF1100) 및 PVDF 바인더를 96:2:2의 중량비로 하고, NMP를 용매로 하여 혼합하였다. 또한, Li2C2O4를 3중량% 첨가하여 혼합하였다. 그 결과로 수득된 혼합물을 분산기기(Paste mixer or homo disperse)를 이용하여 30분 동안 분산처리하여 양극 합제층 형성용 조성물(고형분 함량: 약 70중량%)을 제조한 후, 상기 제조된 양극 합제층 형성용 조성물을 알루미늄 집전체에 도포한 후, 120℃에서 건조 후, 압연하여 양극 합제층을 알루미늄 집전체 상에 형성하였다.
제조예
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 제조한 양극을 각각 이용하여 리튬 이차전지를 제조하였다. 보다 구체적으로는 아래와 같다.
<음극 제조>
음극활물질로서 천연흑연, 카본블랙 도전재, 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 및 스티렌부타디엔 고무(SBR) 바인더를 96:1:1:2의 중량비로 하고, H2O를 용매로 하여 혼합하여 음극 활물질 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 활물질 슬러리를 구리 집전체에 도포한 후 건조 후 압연하여 음극을 제조하였다.
<리튬이차전지 제조>
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 제조한 각각의 양극과 상기 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 세퍼레이터를 개재하여 전극 조립체를 제조하고, 상기 전극 조립체를 케이스 내부에 위치시킨 후, 케이스 내부로 전해액을 주입하여 리튬 이차 전지를 제조하였다. 이때 전해액은 에틸렌카보네이트/디메틸카보네이트/에틸메틸카보네이트(EC/DMC/EMC의 혼합 부피비=3/4/3)로 이루어진 유기 용매에 1.0M 농도의 리튬헥사플루오로포스페이트(LiPF6)를 용해시켜 제조하였다.
실험예 : 과충전 전지 안전성 실험
실험예 1
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 양극을 이용하여 제조한 리튬 이차전지를 충전시켜, 가스가 발생하는 시점에서의 전압(제1양극 합제층의 충전 작동 전압(V))을 측정하였다. 이때 측정되는 작동 전압을 하기 표 1에 나타내었다.
충전 조건 제1양극 합제층의 작동 전압 (V)
실시예 1 0.1C @ 25℃ 5.0~5.2V
실시예 2

 0.1C @ 25℃ 4.25~6V
1.0C @ 25℃ 4.5~6V
1.0C @ 60℃ 4.25~5.4V
실시예 3 1.0C @ 25℃ 5.0~5.8V
비교예 1 0.1C @ 25℃ 작동 없음
비교예 2 0.1C @ 25℃ 작동 없음
비교예 3 0.1C @ 25℃ 작동 없음
실험예 2
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 양극을 이용하여 제조한 리튬 이차전지를 SOC 100에서 1.0C로 한 시간 동안 충전시키는 경우, 그 리튬 이차전지의 전압이 8.4V에 도달하는지, 상기 전압에 도달하지 못하고 이차전지가 발열되거나 폭발하는지 여부를 기준으로 안정성 통과 실험을 수행하였다. 이에 따른 실험 결과를 하기 표 2에 기재하였다.
안정성 통과 여부 (1.0C @ 25℃ 평가)
실시예 1 Pass
실시예 2 Pass
실시예 3 Pass
비교예 1 Fail
비교예 2 Fail
비교예 3 Fail
상기 표2를 참조하면, 실시예 1~3은 이차전지가 발열이나 폭발 없이 8.4V까지 도달하여 안정성 실험을 Pass하였으나, 비교예 1~3의 경우 8.4V 이전에 발열되거나 폭발하여 안정성 실험에서 Fail로 나타났다. 비교예 2의 경우 과충전시 Li2CO3의 산화반응이 진행되기는 하나 Li2CO3 자체가 소모되거나 소멸되지 않아 저항이 증가되는 정도가 미약하며, 비교예 3의 경우 하나의 양극 합제층에 Li2C2O4이 포함된 것이어서 Li2C2O4이 소모되거나 소멸되더라도 두 층의 양극 합제층으로 형성된 실시예 1~3에 비하여 저항 증가가 적어 상기 전압에 도달하지 못하고 발열되거나 폭발한 것으로 생각된다.

Claims (19)

  1. 양극 집전체 상에 형성된 제1양극 합제층; 및
    상기 제1양극 합제층 상에 형성된 제2양극 합제층을 포함하며,
    상기 제1양극 합제층은, 4.25 내지 6.0 V의 작동 전압을 가지며, 충전 시 리튬 및 가스를 발생하는 과충전용 활물질을 포함하는 이차전지용 양극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 과충전용 활물질은 탄소 원소, 및 질소 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 것인 이차전지용 양극.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 과충전용 활물질은 Li2C2O4, Li2C4O4, Li2C3O5, Li2C4O6 및 LiN3로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것인 이차전지용 양극.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 과충전용 활물질은 Li2C2O4 인 것인 이차전지용 양극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1양극 합제층의 두께는 0.1 내지 30 ㎛ 인 이차전지용 양극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2양극 합제층의 두께는 20 내지 500 ㎛ 인 이차전지용 양극.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1양극 합제층 및 상기 제2양극 합제층의 두께 비는 1:1 내지 1:300인 이차전지용 양극.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1양극 합제층은 바인더 및 도전재를 더 포함하는 것인 이차전지용 양극.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2양극 합제층은 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 것인 이차전지용 양극.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 리튬 전이금속 산화물은, Lix1CoO2(0.5<x1<1.3), Lix2NiO2(0.5<x2<1.3), Lix3MnO2(0.5<x3<1.3), Lix4Mn2O4(0.5<x4<1.3), Lix5(Nia1Cob1Mnc1)O2(0.5<x5<1.3, 0<a1<1, 0<b1<1, 0<c1<1, a1+b1+c1=1), Lix6Ni1-y1Coy1O2(0.5<x6<1.3, 0<y1<1), Lix7Co1-y2Mny2O2(0.5<x7<1.3, 0≤y2<1), Lix8Ni1-y3Mny3O2(0.5<x8<1.3, O≤y3<1), Lix9(Nia2Cob2Mnc2)O4(0.5<x9<1.3, 0<a2<2, 0<b2<2, 0<c2<2, a2+b2+c2=2), Lix10Mn2-z1Niz1O4(0.5<x10<1.3, 0<z1<2), Lix11Mn2-zCozO4(0.5<x11<1.3, 0<z<2), Lix12CoPO4(0.5<x12<1.3), Lix13FePO4(0.5<x13<1.3) 및 Li1+a3[Nix14Mny3Coz2Mv1]O(2-c)Ac3 (M은 Al, Zr, Zn, Ti, Mg, Ga 및 In으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 원소이고; A는 P, F, S 및 N로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이며, 0≤x14≤1.0, 0≤y3<0.6, 0≤z2<0.6, 0≤v1≤0.1, 0≤a3<0.3, 0≤c3≤0.2, a3+x14+y3+z2+v1=1)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것인 이차전지용 양극.
  11. 양극 집전체 상에 제1양극 합제층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1양극 합제층 상에 제2양극 합제층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 제1양극 합제층은 4.25 내지 6.0 V의 작동 전압을 가지며, 충전 시 리튬 및 가스를 발생하는 과충전용 활물질을 포함하는 이차전지용 양극 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 과충전용 활물질은 탄소 원소 및 질소 원소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 것인 이차전지용 양극 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 과충전용 활물질은 Li2C2O4, Li2C4O4, Li2C3O5, Li2C4O6 및 LiN3 로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것인 이차전지용 양극 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 과충전용 활물질은 Li2C4O4인 이차전지용 양극 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1양극 합제층은 0.1 내지 30 ㎛ 두께로 형성되는 것인 이차전지용 양극 제조방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제2양극 합제층은 20 내지 500 ㎛ 두께로 형성되는 것인 이차전지용 양극 제조방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제1양극 합제층 및 상기 제2양극 합제층의 두께 비는 1:1 내지 1:300인 이차전지용 양극 제조방법.
  18. 제1항에 따른 이차전지용 양극을 포함하는 리튬 이차전지.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 리튬 이차전지가 과충전 상태가 되었을 때, 상기 제1양극 합제층의 구조 파괴에 의해 상기 양극 집전체와 상기 제2 양극 합제층과의 전기적 접촉이 차단되는 리튬 이차전지.
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